Від 1938 року — студентКиївського гідромеліоративного інституту. В 1940 році призваний до Червоної армії, служив прикордонником на заставі Бури (на кордоні з Афганістаном). Після початку Другої світової війни пішов на фронт автоматником розвідувальної роти, а згодом став літературним працівником дивізійної газети «За победу». Після тяжкої контузії 8 травня 1945 року в Східній Прусії, став інвалідом 2-ї групи.
У повоєнні роки працював у редакціях газет: «Сільські вісті», «Молодь України», був кореспондентом Всесоюзного радіо по Україні. У «Сільських вістях» познайомився зі своєю майбутньою дружиною Тамарою Іванівною, присвятив їй багато ліричних віршів. Першу свою збірку поезій «Дарую людям пісню» опублікував в 1962 році і був прийнятий в члени Спілки письменників України. Заслужений діяч мистецтв України з 1974 року, лауреат Національної премії імені Тараса Шевченка з 1976 року, Почесний громадянин міста Києва з 2015 року.
Меморіальна дошка Д. О. Луценку у с. Березова Рудкапам'ятна монета
В журналі «Перець» № 23 за 1981 рік розміщено дружній шарж А.Арутюнянца, присвячений 60-річчю митця[2]
Починаючи з 1990 року, в рідному селі поета Березовій Рудці, де він уже в зрілому віці подовгу жив і писав, у Березоворудському парку проводяться пісенно-мистецькі свята «Осіннє золото», на яких виконуються пісні на його слова. У сільському краєзнавчому музеї відкрито кімнату-музей поета. В пам'ять про земляка встановлено меморіальну дошку.
1998 року його іменем офіційно названо середню школу № 197 у Києві, де митець не раз виступав і де тривалий час працювали його дружина Тамара Іванівна та син Сергій. 19 травня того ж року в школі відкрито музей-світлицю поета.
Згідно з рішенням Київської міської ради від 13 листопада 2014 року пісня на слова Дмитра Луценка та музику Ігоря Шамо «Як тебе не любити, Києве мій» стала офіційним Гімном територіальної громади міста Києва.
8 жовтня 2015 року Дмитру Луценку присвоєне звання Почесний громадянин міста Києва.