Народився 7 листопада 1857 р. у Києві в родині ремісника-лимаря 1, з роду старожилих дніпровських рибалок-цеховиків, однак, через втрату батьків виховувався у багатодітній сім’ї своєї тітки по матері. Випускник парафіяльного училища, Другої київської гімназії (із золотою медаллю) (1876 р.), історико-філологічного факультету Київського університету імені Святого Володимира (1880 р., нині Київський національний університет імені Тараса Шевченка). Найкращий учень видатного вченого-історика В. Б. Антоновича.
 Після захисту магістерської дисертації (1882 р.) обраний штатним доцентом (з березня 1883 р.) кафедри російської історії Харківського імператорського університету (нині – Харківський національний університет імені В. Н. Каразіна, ХНУ імені В. Н. Каразіна). Після захисту докторської дисертації – екстраординарним (1887 р.), ординарним (1889 р.) і заслуженим (1908 р.) професором. У 1906 –1911 рр. – ректор університету.
 Викладацьку діяльність Д. Багалій вдало поєднував із науковою та bгромадською, а пізніше й політичною. Завдяки високому авторитету був активним членом міського самоврядування. Як його представник входив до складу численних урядових та громадських організацій (комітетів і комісій), у т. ч. Харківського губернського статистичного комітету, міської училищної ради Харківської думи, шкільної комісії, комісії з оцінки проєкту пам’ятника М. В. Гоголю, очолював музейну комісію та ін. З 1905 р. він – член кадетської партії, тричі обирався в Державну раду від російських університетів і Академії наук (в 1905–1907 рр., склав повноваження після розпуску І Державної ради; в 1910–1914 рр.), а з грудня 1914 р. по лютий 1917 р. – міським головою Харкова. Залишався багаторічним членом низки товариств, комісій і комітетів (наукового історичного товариства імені Нестора Літописця, Харківського історико-філологічного товариства (ХІФТ), Харківського товариства поширення в народі грамотності тощо).
 Д. І. Багалій був фундаторомом краєзнавчого руху, музейної, архівної та книговидавничої справи на Слобожанщині, організатором та учасником археологічних розкопок і з’їздів (з 1884 р.; ініціатор проведення XII Всеросійського археологічного з’їзду в Харкові й очільник підготовчого комітету), одним із організаторів і лекторів Вищих жіночих курсів трудящих жінок і Вищих жіночих медичних курсів у Харкові, одним із засновників етнографічного та художнього музеїв при ХІФО, Харківського історичного архіву (виконував обов’язки завідувача архіву з 1883 р.), засновувачем і директором Інституту української культури та Інституту Тараса Шевченка.
 Є автором понад 400 праць з історії України, в т. ч. монографії «История города Харькова за 250 лет его существования» (у співавторстві з Д. П. Міллером).
У 1888 р. був обраний членом ХГБ та правління цієї установи, а з 19 січня 1894 р. очолив його після складання повноважень М. М. Серебряковим. На цій посаді багато енергії, праці, любові та уваги віддав бібліотеці, поринав в усі деталі функціонування книгозбірні. Незважаючи на несприятливі обставини і перешкоди знаходив не лише кошти на утримання, опікувався покращенням обслуговування користувачів, але й відстоював перед владою право на існування самого бібліотечного закладу. (Наприклад: Дмитро Іванович успішно домігся від віце-губернатора В. М. Азанчевського-Азанчеєва скасування тимчасової заборони на орендування зали ХГБ, внаслідок чого бібліотека зазнала суттєвих збитків).
 Внесок Дмитра Івановича у розвиток ХГБ є неймовірно значущим, про що свідчить виступ товариша голови правління ХГБ О. М. Габеля під час відзначеня 25-річниці наукової і педагогічної діяльності вченого, яке відбулося 8 жовтня 1905 р. на урочистому засіданні історико- філологічного товариства при Харківському імператорському університеті:
 «Вступивши в 1893 р. до складу правління Харківської громадської бібліотеки… Ви спрямували турботи Ваші до примноження книжкового багатства бібліотеки, залучаючи пожертви книжками, грошима, привертаючи до справи, Вам дорогій, роблячи її близкою і для інших, читаючи публічні лекції на користь бібліотеки. Ваша праця увінчалася успіхом: Харківська громадська бібліотека стала великим огнищем просвіти. Книжкове багатство бібліотеки, завдяки співчуттю суспільства і дружній праці, керівником якої Ви були, швидко примножилося, і воно, це багатство, настійно потребувало відповідного приміщення. Думка про влаштування власного будинку для Бібліотеки вже давно панувала у її працівників, але здавалася мрією. Ви наполегливо говорили, писали, що ця думка має бути здійснена, і зробили мрію дійсністю. Ви клопотали перед Університетським начальством і Міністерством Народної Освіти про придбання місця для спорудження будівлі громадської бібліотеки, Ви залучали пожертвування для будівлі; завдяки Вашому клопотанню було отримано за Височайшим повелінням субсидiю в розмiрi 45,000 крб. Зібрані Вашою невтомною енергією кошти дали можливість приступити до зведення. Із цією метою було утворено особливу комісію, і в заняттях її Ви прийняли найгарячішу участь, Ви щодня відвідували роботи з будівництва споруди, з любов’ю заглиблюючись в усі будівельні деталі, легко переносячи важкий і відповідальний тягар незліченних турбот з будівництва.                                                                        
«Ваша праця, Ваше вміння залучити пожертвування, співробітників перетворили Харківську громадську бібліотеку на великий просвітницький центр. Ви заклали підґрунтя рукописному відділу бібліотеки, при Вас було покладено початок спеціалізації відділів бібліотеки: бібліотекознавчого, музичного, українського, польського, гебраїки і іудаїки, нарешті при Вас відкрито було два її філіальних відділення. Ви завжди стояли і стоїте на сторожі інтересів Бібліотеки, як просвітницької установи, розумно керуючи ходом діяльності правління…. Усяке клопотання, усякі клопоти Ви завжди готові прийняти на себе для процвітання Вашого улюбленого дітища – Бібліотеки. Завжди спокійний, неупереджений, найвищою мірою колегіальний, Ви усіх прагнете примирити однією загальною метою – працею на користь громадської бібліотеки. Ця Бібліотека – прекрасний пам’ятник Вашій громадській діяльності….»
За каденцію Д. І. Багалія бібліотечний фонд збільшився майже вдвічі з 62966 прим. (в 1895 р.) до 113947 (в 1905 р.), тобто в середньому щорічно зростав на 3,5 – 5 тис. прим. Одночасно покращувався і якісний склад та відповідно зменшувався відсоток незадоволеного попиту на книги і відмовлень на журнали. У «Харьковских ведомостях» почали друкуватися списки найцікавіших нових книг (приблизно раз на місяць), що також стимулювало приріст підписників.
 Стабілізувалася і зростала кількість підписників абонемента (трьох розрядів): якщо в 1895–1896 рр. їх загалом було 2086 (у І розряді – 993, ІІ – 535 і ІІІ – 561), то в 1905 р. вже 2836 (у І розряді – 1086, ІІ – 982 і ІІІ –768). Значних успіхів досягло правління Д. І. Багалія у вдосконаленні форм та методів бібліотечного обслуговування, що було визнано й високо оцінене бібліотечною громадськістю, а ХГБ заслужено стала бібліотечним лідером, осередком інновацій.
 За підтримки та безпосередньої участі голови правління в книгозбірні було організовано низку спеціалізованих відділів (місцевий, земський, український, Hebraica et Iudaica, музичний, бібліотекознавства, дві філії, в т. ч. за власним почином – відділ рукописів та автографів), впроваджено нові напрямки бібліотечної роботи. Так, проведено «журнальну реформу» і в 1895 р. у структурі абонемента І розряду відкрито журнальний абонемент, запроваджено міжбібліотечний книгообмін (з Полтавською, Ізюмською та іншими книгозбірнями); у 1898 р. – створено генеральний алфавітний каталог за старопруською системою книгоопису, запроваджено нову систему реєстрації книг на абонементі.
 Зменшено розмір пені (з 5 до 3 копійок на добу) за утримання книг понад визначений термін, а впровадження замість абонементних книг окремих карток значно полегшило і спростило роботу службовців.
 Пропозиція відкрити філіальне відділення бібліотеки (1894) не була задоволена через відсутність у статуті необхідних підстав, однак, після його доопрацювання та затвердження Міністерством внутрішніх справ (1899) ХГБ здобула право не лише відкривати філіали, передплачувати періодичні видання, але й організовувати книжкову торгівлю, що і було згодом реалізовано. Ініціатором змін в статуті виступив очільник бібліотеки. Крім дійсних членів, були додатково введені прижиттєві і почесні.
 Дмитро Іванович наполегливо продовжував збирання коштів на спорудження власного приміщення бібліотеки. Вже в перший рік перебування на посаді голови правління він розробив вербальний проєкт будівлі для ХГБ і оприлюднив його в брошурі «Про необхідність будівництва будинку для Харківської громадської бібліотеки», де розкривалися перспективи, які очікують місцеве суспільство в разі появи потужної книгозбірні за умови, що будуть зібрані необхідні кошти.
 Брошура додатково розсилалася з листами місцевим жителям із різних прошарків суспільства. Влаштовувалися вечори, спектаклі для збільшення будівельного фонду, здійснювався додатково збір пожертв (надрукованіособливі книжечки з квитками в 1 руб. і 20 коп. для збору за ними дрібних пожертвувань).
 Дмитро Іванович читав сам та організовував лекції фахівців з різних галузей знання, прибуток від яких зараховувався на спеціальний рахунок (капітал на будівництво перетворено на недоторканний фонд у вигляді відсоткових паперів, що приносили 5% щорічно). Він зміг залучити до пожертв приватних осіб, місцеве самоврядування, громадські та інші організації, банківські установи, що дозволило збільшити будівничий капітал майже до 91 тис. крб. (Станом на 1894 р. на будівництво було зібрано загалом 2298 крб. 40 коп., але завдяки цілеспрямованості, згуртованості, наполегливості голови правління та його команди за п’ять років було зібрано 60 тис. крб на будівництво, з яких 45 тис. крб надійшло від урядової структури – Державного казначейства завдяки встановленим особисто Д. І. Багалієм письмовим і особистим контактам з чинними міністрами, зокрема, з міністром фінансів С. Ю. Вітте, сума, якої не вистачало, надійшла як займ від банків).
 Д. І. Багалій особисто жертвував на користь бібліотеки книги, кошти, в т.ч. на будівництво. Ретельно вивчав різні ділянки під майбутнє будівництво, входив до створеного будівельного комітету, щоденно наглядав за ходом робіт та намагався оперативно вирішувати проблеми.
 Будівництво завершилося в короткі строки (закладка фундаменту відбулася в травні 1899 р., а урочисте освячення нової будівлі – в січні 1901 р.).
 Друга половина 1890-х років піднесла авторитет ХГБ, Д. І. Багалій щорічно одноголосно обирався головою правління, що було переконливим свідченням як його авторитету, так і великої поваги до нього з боку бібліотечної громади. В грудні 1895 р. за його пропозицією кандидатам до правління надали замість дорадчого голосу право ухвального (вирішального), оскільки вони виконували такі самі обов’язки як дійсні члени, традиційно опікувалися певним напрямом роботи, а всі разом – абонементом, кабінетом для читання, будівництвом бібліотеки.
 Зокрема, Д. І. Багалій відповідав за зовнішні зв’язки бібліотеки з відомими і впливовими приватними особами, організаціями, установами.
 Крім того, він займався систематизацією літератури з етнографії, краєзнавства, історії, завідував 1, 4, XI–XII відділами каталогу, а спільно з усім правлінням – XIII і XV відділами, наглядом за абонементом. Увійшов до складу комісії, що займалася питанням запровадження правил читання нових журналів (1895).
 У 1904 р. ухвалено рішення створити комісію для розробки статистичної звітності, і в результаті звіти книгозбірні відрізняються від звітів інших бібліотек кількістю представлених у них статистичних даних (містять таблиці кількості підписників абонемента, відвідувачів і відвідування кабінету для читання, книговидачі, затребуваних авторів і популярних журналів, задоволеного і незадоволеного попиту за галузями знання, касових операцій) і в той же час допомагають покращити процеси комплектування, організації бібліотечного обслуговування та виявлення проблемних ситуацій, перспективних напрямів роботи. Визнанням досвіду закладу в бібліотечній статистиці стало схвалення його делегатами Першого бібліотечного з’їзду в 1911 р.
 З 1897 р. регулярно друкувалися основні каталоги, доповнення до них, які, незважаючи на ціну (75 коп.), користувалися попитом у підписників, поповнювався також картковий алфавітний каталог.
 Створена бібліографічна комісія (1899–1900) займалася розписом змісту журналів, однак, її робота була призупинена через брак часу й людських ресурсів.
 Особливим здобутком Дмитра Івановича та його однодумців стала оптимізація організаційної структури бібліотечного закладу. Цей напрямок діяльності не тільки значно покращив якість обслуговування абонентів, відвідувачів, але й забезпечив надовго ХГБ статус лідера – інноватора. Голова правління не лише підтримував пропозиції однодумців, але й сам ініціював заснування окремих структурних підрозділів, серед яких був і відділ рукописів та автографів. Отже, в 1902 р. засновується музичний відділ (з нотним абонементом); 1903 р. – відділи бібліотекознавства, рукописів та автографів, Hebraica et Iudaica (єврейський); 1906 р. – український відділ. Створення цього відділу – унікальне явище не тільки в історії бібліотеки, але й у всій тогочасній бібліотечній справі. Відлуння цієї події (такий відділ вперше був створений в ХГБ) розійшлося не тільки по теренах всієї країни, державна політика якої завжди була спрямована на придушення української ідентичності.
 За участю Д. І. Багалія і правління в 1900 р. створена організаційна комісія з облаштування філіального відділення, яка колегіально визначала статус філіалу, територіально віддаленого від ХГБ, межу його самостійності, внутрішню структуру, канали комунікації між ним та бібліотекою, особливості організації управління. Завдяки Дмитру Івановичу склад керівних органів філії (комісії і комітету) був обраний демократично, а закріплені у відповідній інструкції повноваження та правила обрання відповідали засадам автономності, якої прагнули всі члени філії.
 Одночасно активісти збирали кошти і книги, укладали каталог, матеріальні книги, шукали придатне помешкання, через пресу інформували громадськість про майбутнє відкриття філії та її значення.
 Урочисте відкриття 1-го філіального відділення ХГБ  відбулося 2 лютого 1901 р., де з програмними промовами виступили голова комітету філіального відділення, земський діяч Є. Р. Клевезаль та Д. І. Багалій. У найманому просторому приміщенні (на вулиці Петінській N 44) розмістилися абонемент, кабінет для читання, службові кімнати. Був накопичений книжковий фонд, організована передплата газет і журналів, підготовлений алфавітний каталог. Дуже швидко книгозбірня набула популярності. За перший рік роботи кількість підписників зросла до 294 осіб, відвідувачів кабінету до 202, фонд налічував 3472 прим. За статистичними даними, робітники і ремісники складали 34% контингенту, 32% – учні. Філіальні відділення ХГБ (у 1902 р. відкрили другу філію на Холодній горі) проіснували до 1908 р. і були закриті через зберігання забороненої політичної літератури.
 Авторитет очільника ХГБ був заслужено непохитним. Більш того, організація філій дозволила упорядкувати й міську мережу, адже в цих районах взагалі на було доступних бібліотек.
Талановитий, мудрий і далекоглядний керівник, Д. І. Багалій, однак, не оминув помилкових рішень, від яких не застрахований будь-який менеджер, бо управління установою є досить складним і творчим процесом. На початку ХХ століття у 3-му розряді абонемента для малозаможніх верств населення, відкритому в 1890 р., накопичилося багато проблемних питань (зменшення кількості абонентів, втрата книг, конфліктні ситуації під час обслуговування, дефіцит коштів на утримання, зростання плинності кадрів в умовах роботи на безоплатній основі і користування певною самостійністю), а від підписників та активу бібліотеки лунали нарікання на неповну відповідність фонду абонемента складу читачів (одна половина абонентів – діти, учні, інша – робітники, ремісники, домогосподарки). Тільки систематичне втручання загальних зборів, ревізійної комісії ХГБ уможливило об’єктивно оцінити роботу 3-го розряду та прийняти рішення про його реорганізацію, проте, сталося це вже після складання повноважень Дмитром Івановичем.
 Д. І. Багалій, члени очолюваного ним правління і бібліотеки у своїй більшості були носіями демократичних цінностей, тому й підтримували революційно-демократичні рухи. ХГБ була демократичною установою як
 за своєю організацією, так і за змістом бібліотечної роботи. Отже, з початком революції 1905–1907 рр. її керівництво висловлювало співчуття і пошану жертвам розстріляної 9 січня демонстрації в Санкт-Петербурзі, вимагало скасування політичної цензури взагалі, ліквідації заборони певних книжок у громадських книгозбірнях, зокрема, протестувало проти тимчасового закриття бібліотеки (1905), її філіалів (1908) за політичними мотивами.
 За спогадами Л. Б. Хавкіної, в кімнаті правління ХГБ у величезних скляних шафах із зеленими занавісками під казенними сургучними печатками на дверцятах зберігалися заборонені книги і в перші дні революції 1905 р. працівники бібліотеки повернули цих «політичних в’язнів» до книгосховища для подальшого загального користування.
 За часів головування Дмитра Івановича в книгозбірні читалися публічні лекції з благодійною метою (наприклад, на користь літніх дитячих колоній в 1903 р.) і розпочиналося погашення боргу бібліотеки за будівництво (перша виплата у розмірі 2100 крб відбулася в 1903 р.).
 На святкуванні 10-ї річниці книгозбірні як громадської Дмитро Іванович виступив з промовою «Просвітницьке значення Харківської громадської бібліотеки», що стала однією з його найкращих праць з бібліотечної справи, а за фінансової підтримки В. Даневської спільно з Є. Редіним опублікував працю «Десятиліття Харківської громадської бібліотеки». Д. І. Багалій також увійшов до складу ювілейної комісії з організації урочистостей з нагоди 25-річчя книгозбірні спільно з О. М. Анциферовим, О. П. Грузинцевим, М. І. Румницькою та іншими.
Яким же його бачили сучасники? Міський голова А. К. Погорелко високо оцінював Багалія як особистість і щиро визнавав його великі заслуги зі створення і поширення просвітницьких установ у місті: «Харківська громадська бібліотека своїм колосальним розвитком і багатством змісту зобов’язана Вашій праці і турботам». Професори харківських вишів визнавали беззаперечні чесноти керманича ХГБ. В. Ф. Левітський, декан університету, відмічав, що він є носієм високих якостей ділового, досвідченого громадського діяча, відомого в Харкові своєю виключною працездатністю і твердістю в роботі. В. П. Бузескул дивувався його невтомній енергії, організаторському таланту, силі волі і характеру, надзвичайній витримці. Проректор університету І. В. Нетушил його відмітною рисою вважав слово: «Вашою зброєю, яка розв’язує важкі питання і ситуації, служить не меч, а слово, божий дар, перед яким вклоняються народи…».
 О. П. Грузинцев і Є. К. Редін, відомі діячі ХГБ, на загальних зборах 9 грудня 1901 р. з нагоди зведення власної бібліотечної будівлі в привітальній адресі на честь Д. І. Багалія емоційно висловили своє враження від його феноменальної діяльності з організації будівництва.
 Гуманітарій Є. К. Редін схарактеризував вченого так: «Живою душею…повної любові до справ Харківської громадської бібліотеки» своїм прикладом і великою неосяжною працею надихав в процесі будівництва товаришів по правлінню. В результаті у Харкові з’явився чудовий дім – гордість міста. О. П. Грузинцев звернув увагу на його енергію, завжди спрямовану до цілі, глибоко розвинуте чуття колегіальності, розуміння людей, їхніх нахилів, завдань бібліотеки. Підсумував, що ці риси дозволяють іменувати Д. Багалія блискучім громадським діячем.
У зв’язку з обранням радою Харківського університету Д. І. Багалія ректором він відмовився від головування правлінням бібліотеки (його наступником на цій посаді став О. П. Грузинцев), однак, зв’язків з установою не втратив, у подальшому незмінно обирався членом правління.
 Набутий бібліотечний досвід і знання з бібліотекознавства та бібліографії вчений використав для оптимізації університетської бібліотеки (нині ЦНБ ХНУ ім. В. Н. Каразіна) і створення бібліотечної комісії, в якій добровільно, на конкурсній основі з випробувальним строком працювала університетська професура, забезпечуючи галузеву підтримку бібліотечно-бібліографічних ресурсів.
 У вересні 1917 р. завдяки зусиллям Дмитра Івановича та членів харківського культурно-просвітницького товариства «Просвіта» у Харкові було відкрито першу українську гімназію, а в листопаді він отримав від Центральної Ради призначення на посаду губернського комісара народної освіти, на якій передусім приділив увагу українізації шкіл у повітах Харківської губернії. В період Української революції (1917–1920 рр.)
 Д. І. Багалій на запрошення В. І. Вернадського і гетьманського уряду взяв активну участь у створенні Української академії наук (УАН, 1918) як перший віцепрезидент, голова історико-філологічного відділення.
 Одночасно він разом з видатними ученими розбудовує найважливішу структуру Академії – Національну бібліотеку (з 1920 р. – Всенародна бібліотека України, ВБУ, нині – Національна бібліотека України ім. В. І. Вернадського, НБУВ). В. І. Вернадський включив Д. І. Багалія до складу тимчасового комітету із заснування бібліотеки. Комітет складався із сімох членів, серед них академіки, професори і громадські діячі. У складі комісії особливе місце належить академікам В. І. Вернадському, Д. І. Багалію, А. Ю. Кримському та філологу, бібліотечному діячу Г. П. Житецькому. Їх безперечною заслугою є те, що вони теоретично та практично обґрунтували тактику збирання фондів та основ функціонування Національної бібліотеки. Наприкінці 1920 р. у ВБУ відкрито абонемент для академіків та керівників академічних комісій, організований за пропозицією Дмитра Івановича.
У роки радянської влади Д. І. Багалій очолював різноманітні освітні та документальні установи або їх підрозділи (науково-дослідну кафедру історії української культури, Центральне архівне управління УРСР та ін.).
 Академік продовжував вести активну науково-дослідницьку діяльність. Урізноманітнював її створенням науково-допоміжних покажчиків, складанням оглядів та рецензуванням літератури. На початку 1930-х років установи, якими він керував, почали нещадно критикувати, змушували звільнювати найкращих співробітників.
Д. І. Багалій був щасливо одружений з Марією Василівною Олександрович, мав дітей. Донька Ольга (1889–1942) – його секретар і помічниця, працювала в бібліотеці у 1918 – 1933 рр. (у т. ч. в консультаційному відділі, відділі «Україніка», на посадах заступника завідувача і завідувача, була науковим співробітником), однак, після смерті батька (Дмитро Іванович помер 9 лютого 1932 р. від запалення легенів) була звільнена (разом з Б. О. Боровичем і ще п’ятьма особами) з бібліотеки, втратила роботу і можливість викладати.
Похований Д. І. Багалій на Іоанно-Усікновенському цвинтарі в Харкові; згодом прах академіка перенесли на 13 міське кладовище – на Алею почесних поховань. На будинку, де мешкав Дмитро Іванович, встановлено меморіальну дошку (1993); на історичному факультеті ХНУ ім. В. Н. Каразіна відкрито меморіальну аудиторію імені академіка
 Д. І. Багалія та засновано іменну стипендію; біля Північного корпусу університету встановлено пам’ятник вченому, роботи скульптора О. М. Рідного; на честь видатного історика Харківський міськвиконком перейменував вулицю імені Фрунзе на імені Д. І. Багалія, заснував творчу премію в галузі краєзнавства; започатковані Багаліївські читання (з 1998 проводилися Харківським гуманітарним університетом «Народна українська академія» і Харківським національним педагогічним університетом імені Г. С. Сковороди раз на п’ять років), читально-експозиційному залу рідкісних видань і рукописів ХДНБ ім. В. Г. Короленка присвоєне ім’я академіка (2011), видано «Багаліївський збірник» (2008), що містить ряд цінних публікацій та препринтів, репродукцій фотодокументів.
 
1 Лимар – це майстер, який виготовляє ремінну збрую та інші дрібні шкіряні вироби з вичиненої шкіри-сириці, такі як кінська упряж, ремені, рукавички, гаманці тощо. Це давня професія, що також має назву «шорник або римар».