Ο Δημήτρης Παπαμιχαήλ γεννήθηκε στις 29 Αυγούστου του 1934 στον Πειραιά. Ο Δημήτρης Παπαμιχαήλ από τα εφηβικά του χρόνια είχε αποφασίσει ότι ήθελε να ασχοληθεί με το θέατρο. Οι γονείς του ήθελαν να σπουδάσει υφαντουργεία καθώς είχε κερδίσει μια υποτροφία στην Αγγλία. Ωστόσο το 1952 έδωσε κρυφά εισαγωγικές εξετάσεις στο Εθνικό Θέατρο και τελικά πέρασε. Αυτή του η κίνηση όμως προκάλεσε την αντίδραση του πατέρα του, ο οποίος τελικά συμφώνησε.Σπούδασε ηθοποιός,κι έκανε την πρώτη εμφάνισή του με την «Εκάβη» του Ευριπίδη το 1955. Στη συνέχεια και ως το 1960 ερμήνευσε αρκετούς σημαντικούς ρόλους στο Θέατρο Τέχνης.
Η συνάντησή του το 1959 στα κινηματογραφικά πλατώ της ταινίας «Αστέρω» με την Αλίκη Βουγιουκλάκη αποτέλεσε απαρχή της ιστορίας του διασημότερου ζευγαριού στην ιστορία του ελληνικού κινηματογράφου και του θεάτρου. Το 1965 ενώθηκαν με τα δεσμά του γάμου και απέκτησαν ένα παιδί, τον Γιάννη. Ωστόσο, ο θυελλώδης γάμος τους δεν κράτησε πολύ.
Εκτός από τις δεκάδες ταινίες που γύρισαν μαζί, από το 1964 έως το 1974 συνεργάσθηκαν σε θίασο που συνέστησαν οι δυο τους. Μία από τις πολλές θεατρικές επιτυχίες τους ήταν στο έργο του Μπέρναρ Σο «Ωραία μου κυρία».
Μετά το διαζύγιό τους, ο Δημήτρης Παπαμιχαήλ στράφηκε περισσότερο στο ποιοτικό θέατρο, που ήδη είχε υπηρετήσει, είτε στο Εθνικό, είτε με τον Κάρολο Κουν. Οι πρωταγωνιστικές του ερμηνείες σε έργα το κλασσικού ρεπερτορίου και την αρχαία τραγωδία αποτελούν σημείο αναφοράς για τους νέους έλληνες ηθοποιούς.Η τελευταία του εμφάνιση στο σινεμά ήταν στην ταινία του Χάρη Παπαδόπουλου ”Προς την Ελευθερία” το 1997.
Ο Δημήτρης Παπαμιχαήλ έφυγε από τη ζωή στις 8 Αυγούστου του 2004.