Родился в болгарском селении в семье крестьянина-бедняка. В юношеские годы участвовал в Апрельском восстании 1876 года и дальнейшей Освободительной войне против Османской империи. В 1878 году некоторое время работал на табачном складе в Свиштове, затем выехал продолжать образование в Российской империи.

С 1881 году учился в Петербургском университете, где через студенческие организации пришёл в революционное движение и вёл революционную пропаганду среди рабочих за Невской заставой. Изначально сблизился с «Народной волей» и активно включился в её работу, однако вскоре отошёл от народовольцев и взялся за изучение марксистской теории, в частности, «Капитала» Маркса.

В декабре 1883 года организовал один из первых в России марксистских кружков, известный как «Группа Благоева». Димитр Благоев прожил в Петербурге около пяти лет. С 1884 по 1885 год Благоев жил на Кронверкском проспекте, 51. В начале 1885 года он жил на улице Олега Кошевого, 12 (совр. Введенская).

В марте 1885 года арестован за создание подпольной типографии, посажен в тюрьму, позже выслан на родину — в Болгарию. В 1891 основал Болгарскую социал-демократическую партию (с 1919 компартия Болгарии). Приветствовал Октябрьскую революцию. В 1922 году избран почетным членом Петросовета.

Умер 7 мая 1924 года. Похороны Благоева сопровождались тридцатитысячной демонстрацией.

На доме № 12 по улице Олега Кошевого (совр. Введенская), в котором жил Димитрий Благоев, в 1957 году была установлена мемориальная доска.

16 января 1964 года улица, расположенная по соседству с улицей Олега Кошевого, получила свое имя в честь Димитра Благоева к сорокалетию со дня его смерти.

К 25-й годовщине образования Народной республики Болгарии, в 1969 году, в сквере на пересечении улиц Благоева и Введенской был установлен бюст Благоева.