Ο Δημήτρης ήταν το τρίτο παιδί του Γιάννη Παπαμιχαήλ και το πρώτο με την δεύτερη του σύζυγο, Ελένη. Είχε έναν αδερφό, τον Στέλιο, και μια αδερφή, την Μαρία, από τον πρώτο γάμο του πατέρα του, καθώς και έναν αδερφό, τον Νίκο που γεννήθηκε μετά από αυτόν. Τα παιδικά του χρόνια ήταν φτωχικά. Οι γονείς του διηύθυναν ένα καφενείο στο οποίο συχνά βοηθούσε και ο ίδιος. Τα πρώτα του χρόνια στιγματίστηκαν από τον Β΄ Παγκόσμιο Πόλεμο. Έζησε για περίπου δυο χρόνια στον τόπο καταγωγής των γονιών του το Κρανίδι, ύστερα από προτροπή τους, και αμέσως μετά το τέλος του πολέμου ξαναγύρισε στον Πειραιά.
Σπούδασε ηθοποιός στη Δραματική Σχολή του Εθνικού Θεάτρου, όπου 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.
Ο Δημήτρης Παπαμιχαήλ από τα εφηβικά του χρόνια είχε αποφασίσει ότι ήθελε να ασχοληθεί με το θέατρο. Οι γονείς του ήθελαν να σπουδάσει υφαντουργία 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. Αξιοθαύμαστο γεγονός αποτελεί ότι ο Παπαμιχαήλ, έφτανε στην Δραματική Σχολή του Εθνικού Θεάτρου με τα πόδια από τον Πειραιά. Στην Σχολή του Εθνικού, γνώρισε και την Αλίκη Βουγιουκλάκη, μελλοντική σύζυγο και συνεργάτη του. Αποφοίτησε από το Εθνικό με βαθμό “Άριστα”. Ο πρώτος του ρόλος ήταν στο «Γλάρο» του Τσέχωφ και ακολούθησε ο ρόλος του Πολύδωρου στην Εκάβη του Ευριπίδη το 1955. Στη συνέχεια, συνεργάστηκε με το Θέατρο Τέχνης[3] και από το 1962 συγκρότησε δικό του θίασο στο ελεύθερο θέατρο. Έπαιξε δίπλα στην Κυβέλη, την Κατίνα Παξινού, την Άννα Συνοδινού, την Αντιγόνη Βαλάκου και τον Αλέξη Μινωτή. Τιμήθηκε με το Βραβείο Κοτοπούλη το 1957. Επίσης συμμετείχε σε μεγάλες παραγωγές του ελληνικού κινηματογράφου, όπως το Ποτέ την Κυριακή (1960) και Τα κόκκινα φανάρια (1963) ενώ ταινία σταθμός στην σταδιοδρομία του ήταν η ταινία Παπαφλέσσας (1971), που αποτελεί μια από τις μεγαλύτερες υπερπαραγωγές του ελληνικού κινηματογράφου, η οποία κόστισε 12.009.000 δραχμές.
Από το 1964 και για δέκα ολόκληρα χρόνια πρωταγωνίστησε στο θέατρο ως συνθιασάρχης με την Αλίκη Βουγιουκλάκη, αλλά και σε δεκάδες ταινίες ως ζευγάρι, στον κινηματογράφο αλλά και στη ζωή.
Υπήρξε πρωταγωνιστής στο Κρατικό Θέατρο Βορείου Ελλάδος (ΚΘΒΕ) και πρόεδρος του συλλόγου ηθοποιών βορείου Ελλάδος.
Ο Δημήτρης Παπαμιχαήλ νυμφεύθηκε δύο φορές. Στην αρχή της σταδιοδρομίας του, διατηρούσε σχέση με την ηθοποιό Δέσπω Διαμαντίδου. Πρώτη του σύζυγος και μεγάλο κεφάλαιο στη ζωή του αποτέλεσε η Αλίκη Βουγιουκλάκη. Γνωρίζοντας την στην αίθουσα αναμονής του Εθνικού Θεάτρου, όπου και οι δύο βρίσκονταν για να δώσουν εισαγωγικές εξετάσεις, ο γάμος του μαζί της ήταν γεμάτος συγκρούσεις αλλά αποτελεί, εάν όχι τον μεγαλύτερο, έναν από τους πιο πολυσυζητημένους και γεμάτο πάθος γάμους στον ελληνικό χώρο του θεάματος. Ο γάμος τους πραγματοποιήθηκε στις 18 Ιανουαρίου 1965.[4] Μαζί ανέβασαν πολλά έργα στο θέατρο και έκαναν πολλές ταινίες, από τις πιο γνωστές και αγαπητές στο ευρύ κοινό είναι «Το ξύλο βγήκε από τον παράδεισο», «Αστέρω», «Μανταλένα», «Η Αλίκη στο Ναυτικό» και πολλές άλλες. Κατά τη διάρκεια του γάμου τους απέκτησαν έναν γιο, τον Γιάννη. Ύστερα από δέκα χρόνια γάμου το ζευγάρι χώρισε το 1975. αλλά επανενώθηκαν καλλιτεχνικά ξανά το 1983. Στη συνέχεια νυμφεύθηκε τη Νανά Ειλικρινή, με την οποία χώρισαν το 1990. Σύντροφος του υπήρξε και η ηθοποιός Μίνα Χειμώνα. Τελευταία σύντροφος της ζωής του η ηθοποιός Νάντια Μουρούζη.
Ο Δημήτρης Παπαμιχαήλ απεβίωσε στις 8 Αυγούστου του 2004, από καρδιακή προσβολή, σε ηλικία 69 ετών.[2][3] Ο ηθοποιός παραθέριζε στο εξοχικό του στην Ερμιόνη και το μεσημέρι αισθάνθηκε αδιαθεσία, οπότε μεταφέρθηκε στο κέντρο Υγείας Κρανιδίου, αλλά ήταν ήδη αργά.
1956
Ο αγαπητικός της βοσκοπούλας
1957
Το τελευταίο ψέμα
Η θεία απ’ το Σικάγο
1958
Δύο αγάπες δύο κόσμοι
Η κυρά μας η μαμή
1959
Αστέρω
Το ξύλο βγήκε από τον παράδεισο
1960
Mανταλένα
Το ραντεβού της Κυριακής
Ποτέ την Κυριακή
1961
Η Αλίκη στο Ναυτικό
Χαμένα όνειρα
Ο θάνατος θα ξανάρθει
1962
Εταιρεία θαυμάτων
Ο λουστράκος
Μην ερωτεύεσαι το Σάββατο
Ποτέ δεν σε ξέχασα
1963
Τα κόκκινα φανάρια
Χτυποκάρδια στο θρανίο
Το τεμπελόσκυλο
1964
Αν έχεις τύχη
1965
Μοντέρνα σταχτοπούτα
Ο νικητής
Περάστε την 1η του μηνός
1966
Διπλοπενιές
Ο εξυπνάκιας
Η κόρη μου η σοσιαλίστρια
1967
Αχ! αυτή η γυναίκα μου
Ανάμεσα σε δυο γυναίκες
Δημήτρη μου, Δημήτρη μου
Το πιο λαμπρό αστέρι
1968
Η αγάπη μας
Το κορίτσι του λούνα παρκ
1969
Η αρχόντισσα και ο αλήτης
Η δασκάλα με τα ξανθά μαλλιά
Το λεβεντόπαιδο
Η νεράιδα και το παλικάρι
Ο παραμυθάς
1970
Υπολοχαγός Νατάσα
1971
Παπαφλέσσας
1972
Η Αλίκη δικτάτωρ
Ιπποκράτης και δημοκρατία
Ως την τελευταία στιγμή
1974
Εραστές του ονείρου
1978
Κραυγή γυναικών
1981
Πολίτες δεύτερης κατηγορίας
Αγριες κότες
1996
Προς την ελευθερία