Dimitri Kaljo on sündinud 12. oktoobril 1928. aastal Haapsalus. 1948 lõpetas ta Tallinna 1. keskkooli ning 1953 Tartu ülikooli geoloogia osakonna. Pärast paleontoloogia aspirantuuri läbimist järgnes kandidaaditöö „Balti ordoviitsiumi ja Llandovery rugoosid, nende levik ja arenemine” kaitsmine 1956. aastal. Doktoritöö „Baltimaade siluri stratigraafia (ökostratigraafilise analüüsi kogemus)” kaitses ta 1978. aastal NSVL TA geoloogia instituudi juures. Eesti teaduste akadeemia liikmeks valiti Dimitri Kaljo 1983. aastal ning professorikutse omistati talle 1986. aastal.
Aastatel 1956–1957 oli Dimitri Kaljo Tartu ülikooli mineraloogia kateedri assistent. Alates 1957. aastast on ta seotud geoloogia instituudiga, kui ta asus tööle TA geoloogia instituudi teadussekretärina (alates 1997 Tallinna tehnikaülikooli geoloogia instituut), 1959 sai temast geoloogia sektori juhataja ning 1965 teadusdirektor. Aastatel 1969–1989 oli ta direktor ning sel ajal saavutas instituut juhtiva positsiooni Baltimaades ning tuntuse NSV Liidus ja Põhja-Euroopas. Aastatel 1990–2006 oli Dimitri Kaljo aluspõhja osakonna juhataja, 2007–2016 vanemteadur.
Dimitri Kaljo uurimistöö peasuundadeks on olnud Eesti ordoviitsiumi ja siluri tertakorallide taksonoomia ja biogeograafia, graptoliitide biostratigraafia, nende ladestute stratigraafiline liigestus, Balti basseini fatsiaalne arengulugu ja paleoökosüsteemid ning isotoopgeoloogia. Ta on avaldanud üle 300 teaduspublikatsiooni, olnud nelja doktoritöö juhendajaks. Ta oli kauaaegne ajakirja Estonian Journal of Earth Sciences peatoimetaja ning kuulub ka käesoleval ajal ajakirja toimetuskolleegiumi.
Võimeka teadusorganisaatorina oli Dimitri Kaljo aastatel 1990–1999 akadeemia bioloogia, geoloogia ja keemia osakonna juhataja ning 1991–2004 välissuhete koordinaator. Ta on tegutsenud paljudes erialakomisjonides. Alates 1969 on ta Eesti stratigraafia komisjoni liige (1981–2005 esimees), 1991–2010 Eesti maavarade komisjoni ja aastatel 1992–2019 Eesti geoloogia rahvuskomitee esimees. Rahvusvaheliselt hinnatud teadlasena kutsuti ta juba 1975. aastal rahvusvahelise geoloogiateaduste liidu stratigraafiakomisjoni siluri alamkomisjoni tegevliikmeks, 1984–1992 oli ta selle esimees. 1983–1988 oli akadeemik Kaljo rahvusvahelise fossiilsete korallide uurimise assotsiatsiooni asepresident ning 1989–1996 rahvusvahelise paleontoloogia liidu asepresident. Ka käesoleval ajal on ta tegev mitmes erialalises rahvusvahelises komisjonis. Ta on Balti stratigraafia assotiatsiooni liige, Londoni geoloogia seltsi auliige, rahvusvahelise geoloogiateaduste liidu ordoviitsiumi stratigraafia alamkomisjoni korrespondentliige ja siluri stratigraafia alamkomisjoni korrespondentliige.
Kahel korral on Dimitri Kaljo tööd kollektiivi juhina tunnustatud riikliku preemiaga – 1972 tööde tsükli eest Eesti siluri uurimisel ja 2001 isotoopuuringute eest paleosoilise arenguloo selgitamisel. 2009. aastal pälvis ta teaduspreemia pikaajalise tulemusliku teadus- ja arendustöö eest.
2002. aastal autasustati Dimitri Kaljot Valgetähe IV klassi teenetemärgiga.