Родился в семье рабочего. После окончания школы в посёлке Парахино поступил в Ленинградский институт инженеров водного транспорта, с первого курса в 1937 году, по спецнабору, был направлен в Ейское военно-морское авиационное училище имени Сталина. После завершения обучения в 1939 году приступил к службе в ВВС Краснознамённого Балтийского Флота лётчиком-наблюдателем. Участвовал в советско-финской войне 1939—1940 годов. Участник Великой Отечественной войны с июня 1941 года.
30 июня 1941 года экипаж дальнего бомбардировщика ДБ-3Т первого минно-торпедного авиаполка 8-й минно-торпедной авиадивизии Краснознамённого Балтийского Флота в составе лётчика — младшего лейтенанта П. С. Игашова, штурмана лейтенанта Д. Г. Парфёнова, бортстрелков В. Л. Новикова и А. М. Хохлачёва выполнял боевую задачу по нанесению бомбового удара по мосту в районе города Двинска. Полёт проходил без прикрытия истребителями сопровождения. После уничтожения моста, по возвращении, самолёт был атакован тремя фашистскими истребителями Me-109F. Бортстрелками экипажа был сбит один самолёт противника, но вражеским огнём был повреждён левый двигатель бомбардировщика. Несмотря на это, ещё один самолёт противника был уничтожен воздушным тараном, а горящий бомбардировщик был направлен в танковую колонну противника.
Это был первый воздушный таран бомбардировщиком в Великой Отечественной войне и первый в истории двойной таран воздушной и наземной цели.
Останки экипажа найдены школьниками и захоронены в Латвии в Даугавпилсе в 1975 году.
У места гибели экипажа установлен памятник.
В городе Окуловка именем Дмитрия Георгиевича Парфёнова названа улица.