Родился в д. Писклово Курского уезда Курской губернии.
В 1933 г. окончил Воронежский сельскохозяйственный институт.
В 1933-1934 гг. — директор Ахтубинской овощной зональной станции.
В 1934-1936 гг. — директор Грибовской овощной селекционно-опытной станции.
В 1936 г. по приглашению академика Н.И. Вавилова поступил в аспирантуру Всесоюзного института растениеводства (ВИР).
В 1937-1941, 1952-1954, 1961-1965 гг. — зав. отделом овощных культур ВИР.
Участвовал в боевых действиях Великой Отечественной войны (1941-1945).
В 1953 г. защитил докторскую диссертацию, — профессор (1954).
В 1956-1961 гг. избран академиком ВАСХНИЛ.
В 1966-1978 гг. — директор Всесоюзного института растениеводства им. Н.И. Вавилова, одновременно первый вице-президент ВАСХНИЛ (1968-1973).
В 1970-1982 гг. — главный редактор журнала «Вестник сельскохозяйственной науки», вице-президент общества «Знание».
В 1975 г. Указом Президиума Верховного Совета СССР, за выведение новых сортов овощных культур и продвижение их семеноводства в северную зону присвоено звание Герой Социалистического Труда.
Д.И, Брежнев — автор более 450 научных трудов в области интродукции, селекции, иммунитета, систематики культурных растений и других важнейших разделов биологической науки. Обладатель 12 патентов на сорта и гибриды томатов. Основная работа «Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции».
Коллекция растительных образцов, собранная Д.И. Брежневым и его учениками, является самой полной, в настоящее время, в мире по количеству и многообразию ботанических форм.
Под его руководством в ВИР созданы ряд новых лабораторий, белка и нуклеиновых кислот, физиологии устойчивости, фотосинтеза и гетерозиса, отдалённой гибридизации и др.; расширена сеть опытных станций; созданы опорные пункты при селекцентрах; построено Национальное хранилище семян; организованы 6 постоянно действующих экспедиций; подготовлено около 70 кандидатов и докторов наук.
В 1960 г. избран академиком Академии сельскохозяйственных наук Германии (ГДР).
В 1968 г. — почётный член Всеамериканской ассоциации растениеводов, член правления Европейской ассоциации научных исследований по растениеводству (1968, президент 1976-1980).
В 1969 г. — почётный доктор Будапештского университета (Венгрия).
В 1970 г. — член Международного совета по генетическим ресурсам растений ФАО.
В 1971 г. — почётный член Французской сельскохозяйственной академии.
В 1972 г. — член Венгерской академии наук.
В 1950-1952 гг. — секретарь Ленинградского обкома ВКП(б).
В 1954-1956 гг. — второй секретарь Ленинградского обкома КПСС.
Избирался депутатом Верховного Совета РСФСР 4-го созыва (1954-1958).
В 1956-1961 гг. — член ЦК КПСС.
Награды: два ордена Ленина, орден Октябрьской революции, три ордена Трудового Красного Знамени, орден Отечественной войны 2-й степени, орден Красной Звезды, орден «Знак Почёта», медали, Золотая медаль имени И. В. Мичурина, медали ВДНХ СССР. Лауреат Сталинской премии 1952 год.
Ист: Биологии. Биографический справочник. Киев, 1984.