Su ciudad natal lleva actualmente su nombre. Aun así, Cantemir no estaba contento con su estatus, así que pretendió descender del Khan Temir, un kan del siglo XVII de los tártaros de Bugeac. En un principio fue educado en su casa, donde aprendió griego y latín y los autores clásicos. Entre 1687 y 1710 vivió en un exilio forzado en Estambul, donde aprendió turco y estudió la historia del Imperio otomano, en la Academia Griega del Patriarcado, donde también compuso música.

Sello de la Unión Soviética con la imagen de Dimitrie Cantemir, 1973

En 1693, sucedió a su padre como príncipe de Moldavia -solamente con el nombre, ya que los otomanos nombraron a Constantin Duca, favorecido por el príncipe de Valaquia, Constantin Brâncoveanu, quien, a pesar de algunos objetivos comunes, fue siempre el rival de la familia Cantemir. Cantemir llegó al trono solamente en 1710, después de dos períodos de reinado de su hermano, para quien Dimitrie fue representante diplomático en Estambul. Había reinado por solamente un año cuando se unió a Pedro I de Rusia en su campaña contra el Imperio otomano y puso a Moldavia bajo soberanía rusa, después de un acuerdo secreto firmado en Lutsk.

Derrotado por los turcos en la Batalla de Stănileşti (18-22 de julio de 1711) Cantemir se refugió en Rusia, en donde él y su familia se asentaron (acompañados de un séquito de boyardos). Ahí, Pedro I lo nombró Knyaz del Imperio Ruso, mientras que Carlos VI lo nombró "Reichsfürst" del Sacro Imperio Romano Germánico. Murió en su hacienda Dmitrievsk, cerca de Járkov, en 1723. En 1935, sus restos mortales fueron trasladados a Iaşi.

Estuvo casado dos veces: en 1699, con Kassandra Cantacuzene (1682-1713), miembro de la familia Cantacuzino, hija del príncipe Şerban Cantacuzino; y en 1717 con Anastasia Trubetska (1700–1755; de la Casa Trubetskoy).

En 1714 Cantemir llegó a ser miembro de la Academia Real de Berlín. Entre 1711 y 1719 escribió sus obras más importantes. Cantemir fue uno de los grandes lingüistas de su tiempo, pudiendo hablar y escribir en once idiomas, y teniendo buenos conocimientos de investigación orientalista. Su obra es voluminosa, diversa, y original; aunque algunos de sus escritos científicos contienen teorías inconfirmadas e inexactitudes, su pericia, sagacidad, e investigaciones revolucionarias son generalmente reconocidas.

Edición discográfica con una obra de Dimitrie Cantemir

Su obra más conocida es "Historia del aumento y declive del Imperio Otomano". Éste volumen circuló por Europa, en forma de manuscrito, por muchos años. Fue finalmente impreso en 1734 en Londres, y más tarde fue traducido e impreso en Alemania y Francia. Fue la obra más importante acerca del Imperio otomano hasta la mitad del siglo XIX. En 1714, después de una petición de la Academia Real de Berlin, Cantemir escribió la primera descripción geográfica, etnográfica y económica del principado de Moldavia y un mapa en manuscrito de Moldavia, el primer mapa, en el sentido propio de la palabra, del país.

Un experimentado compositor e intérprete de música otomana, Cantemir fue también uno de los más importantes teóricos de ésta música. Su libro, "Kitâbu 'Ilmi'l-Mûsikí alâ Vechi'l-Hurûfât" (El libro de la ciencia de la música a través de letras), fue presentado al sultán Ahmed II en 1693, y trata no solamente de estructuras melódicas y rítmicas, y de la práctica de la música otomana, sino que también contiene las partituras de más o menos 350 obras, compuestas antes o durante la vida del autor, incluso partituras de obras de Cantemir mismo, usando un sistema de notación alfabética que el inventó. En el caso de algunas de las obras, las partituras de este libro son las únicas que han sobrevivido. Algunas de las obras forman parte del repertorio regular de los grupos musicales turcos.