Ο Δημήτρης Διονυσίου αποφοίτησε από την Ιατρική Σχολή του Πανεπιστημίου Αλεξανδρούπολης το 1996. 
Ειδικεύτηκε ως Πλαστικός Χειρουργός στο Τμήμα Πλαστικής Χειρουργικής του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης και σε νοσοκομεία της Μεγάλης Βρετανίας και έλαβε τον τίτλο του ειδικού Πλαστικού Χειρουργού το 2007.
Στη συνέχεια, εξειδικεύθηκε στη Μικροχειρουργική και εργάσθηκε για σχεδόν 2 χρόνια στο Queen Victoria Hospital της Αγγλίας. Το 2010 ο Δρ. Διονυσίου επισκέφθηκε και εκπαιδεύτηκε στη μικροχειρουργική του λεμφικού ιστού και κυρίως στην τεχνική της Ελεύθερης Μεταμόχευσης Λεμφαδένων στην Clinique Jouvenet στο Παρίσι, από την πρωτοπόρο της χειρουργικής του λεμφοιδήματος, Δρ. Corinne Becker.
Στα πλαίσια της συνεχιζόμενης επιστημονικής του κατάρτισης, παρακολούθησε πολυάριθμα εκπαιδευτικά σεμινάρια και συνέδρια, τόσο στην Ελλάδα όσο και στο εξωτερικό, όπου παρουσίασε σημαντικό αριθμό επιστημονικών εργασιών και επίσης έλαβε μέρος ως συγγραφέας σε πολλά βιβλία ή κεφάλαια ιατρικών βιβλίων που σχετίζονται με την μικροχειρουργική και το λεμφοίδημα.
Ο Δρ. Διονυσίου είναι μέλος ΔΕΠ της Ιατρικής Σχολής του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης από το 2012 και επί του παρόντος κατέχει τη θέση του Αναπληρωτή Καθηγητή Πλαστικής και Επανορθωτικής Χειρουργικής. Το 2015 έλαβε τον τίτλο Μετεκπαίδευσης με θέμα: «Εκπαίδευση νοσημάτων λεμφικού ιστού», από το Ευρωπαϊκό Σχολείο Νοσημάτων Λεμφικού Ιστού. Από το Φεβρουάριο 2017 εως το Φεβρυάριο 2018 υπηρέτησε ως Επισκέπτης Καθηγητής στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ, ΗΠΑ με ιδιαίτερο ενδιαφέρον τη θεραπεία του λεμφοιδήματος.
Είναι μέλος πολλών επιστημονικών Εταιρειών, ενώ από το 2015 είναι ενεργό μέλος της European Association of Plastic Surgeons (EURAPS). Τα τελευταία χρόνια εκλέγεται μέλος του Διοικητικού Συμβουλίου της Ελληνικής Λεμφολογικής Εταιρείας και της Ελληνικής Εταιρείας Επανορθωτικής Μικροχειρουργικής.
Είναι Chair της EURAPS Research Council (2020).
Κατέχει τη θέση του Προέδρου της Ελληνικής Εταιρείας Επανορθωτικής Μικροχειρουργικής (2020).