Основные труды — в области линейчатой геометрии.
Дмитрий Зейлигер родился в Тирасполе в еврейской купеческой семье. Закончил физико-математический факультет Новороссийского университета в Одессе (1887), где в 1891 году получил степень магистра прикладной механики за диссертацию «Механика подобно-изменяемого тела. Статика» («Западное Новороссийское Общество Естествоиспытателей», 1889—1891) и в следующем году был назначен приват-доцентом на кафедре механики.
В 1894 году Московским университетом удостоен степени доктора прикладной механики за диссертацию «Теория движения подобно-изменяемого тела» («Учёные Записки Казанского Университета», 1893), в 1895 году назначен экстраординарным профессором Казанского университета, в 1899 году — ординарным профессором того же университета, назначен заведующим кафедрой механики. В 1910 году организовал при университете первый воздухоплавательный кружок.
Уволен из Казанского университета в 1914 году за неблагонадёжные политические взгляды. До 1917 года преподавал в Петроградском университете, затем вновь в Казанском университете. Вместе со своим учеником Н. Г. Четаевым (1902—1959) и ректором университета экономико-географом Н.-Б. З. Векслиным (1897—1942) стал организатором авиационного образования в Казани и открытия на базе университета Казанского авиационного института. 27 декабря 1917 года, в связи с созданием при университете Лесного факультета, был назначен заведующим кафедрой механической технологии дерева.
В 1919 году избран первым ректором Казанского политехнического института и одновременно возглавил его экономический факультет. В 1927 году по инициативе Д. Н. Зейлигера началась специализация студентов-механиков Казанского университета по аэродинамике.
В 1929—1933 годах — профессор и заведующий новообразованной кафедрой математики Горного института в Юзовке, в 1932—1936 годах — заведующий кафедрой теоретической механики Северо-Кавказского индустриального института в Новочеркасске.
Д. Н. Зейлигер — автор работ по теоретической механике, комплексной геометрии линейчатого пространства. Разработал основы винтового исчисления (1890), в 1889—1991 годах занимался механикой подобно-изменяемой системы. В 1910 году обратился к вопросам плоского движения и теории винтов, изложил теорию дуальных чисел. В 1934 году отдельной монографией («Комплексная линейчатая геометрия») опубликовал теорию линейчатой геометрии с приложениями к кинематике, на основе результатов, полученных методом винтового исчисления.