Родился в протестантской семье врача-невропатолога и психиатра Карла Бонхёффера, в которой был шестым из восьми детей. Из его братьев Карл Фридрих стал известным химиком, Вальтер погиб на Первой мировой войне, а юрист Клаус был казнён за связь с участниками заговора против Гитлера 20 июля 1944 года. Дитрих окончил гимназию (1923), изучал теологию в университетах Тюбингена и Берлина, ученик либеральных богословов Адольфа фон Гарнака, Рейнгольда Зееберга; значительное влияние на его взгляды оказал теолог Карл Барт. В 1927 защитил дипломную работу, посвящённую философскому и догматическому исследованию фундаментальных категорий церковной социологии (). Доктор теологии (1929; тема диссертации: «Акт и бытие. Трансцендентальная философия и онтология в систематической теологии»).