Окончил курс в офицерских классах Главного инженерного училища. Долго служил в восточной Сибири. Во время хивинской экспедиции, которую совершал вместе с великим князем Николаем Константиновичем, лишил себя жизни.
Главной заслугой его было устройство амурского телеграфа. Много содействовал проложению торговых путей из внутренней России к азиатским рынкам; хлопотал о проведении Сибирской железной дороги и целой сети дорог по берегу Каспийского моря и от Кавказа к Туркестану. Многие из проектов Д. И. Романова впоследствии получили осуществление.
Написал множество географических, этнографических, экономических статей, большая часть которых касается Амурской области:
См. некрологи в «Голосе», 1873, №№ 168, 198 и 211, и «Записках Императорского Русского Технического Общества», 1874, № 2.