Ο Δημήτρης Θάνος σπούδασε Βιολογία στο Πανεπιστήμιο Αθηνών (1983). Διδάκτωρ Μοριακής Βιολογίας στο Πανεπιστήμιο Κρήτης (Ίδρυμα Τεχνολογίας και Έρευνας). Μετεκπαιδεύθηκε στο Τμήμα Βιοχημείας και Μοριακής Βιολογίας του Πανεπιστημίου Harvard των ΗΠΑ (1989-1994) στον τομέα ρύθμισης της γονιδιακής εκφράσεως, λαμβάνοντας την μεταδιδακτορική υποτροφία Lucille P. Markey.
Επίκουρος καθηγητής (1995), μόνιμος αναπληρωτής καθηγητής (2000), Adjunct Professor (2003-2015) στο Τμήμα Βιοχημείας και Μοριακής Βιοφυσικής της Ιατρικής Σχολής του Πανεπιστημίου Columbia της Νέας Υόρκης. Διευθυντής (2001) του Ινστιτούτου Μοριακής Βιολογίας και Γενετικής του Ερευνητικού Κέντρου Βιοϊατρικών Επιστημών “Αλέξανδρος Φλέμιγκ” στην Ελλάδα. Από τον Μάρτιο του 2006, Πρόεδρος του Επιστημονικού Συμβουλίου και Διευθυντής του Κέντρου Βασικής Έρευνας του Ιδρύματος Ιατροβιολογικών Ερευνών της Ακαδημίας Αθηνών.
Ανακάλυψε το ενισχυόσωμα (enhanceosome), τον βασικό μοριακό διακόπτη μέσω του οποίου ρυθμίζεται η δραστηριότητα (έκφραση) των γονιδίων στον άνθρωπο και στους άλλους οργανισμούς. Έχει δημοσιεύσει σειρά άρθρων και εκδοτικών σημειωμάτων στα κορυφαία επιστημονικά περιοδικά του κλάδου (Cell, Nature, Science κ.α.). Το δημοσιευμένο έργο του έχει λάβει περί τις 14.000 αναφορές στην βιβλιογραφία. Τα ευρήματά του περιγράφονται αναλυτικά σε όλα τα εκπαιδευτικά εγχειρίδια (textbooks) μοριακής και κυτταρικής βιολογίας που διδάσκονται σε σχολές Βιολογίας και Ιατρικής στην Ελλάδα και το εξωτερικό.
Έχει βραβευθεί επανειλημμένα, για τη διεθνή αναγνώριση του έργου του. Είναι τακτικό μέλος του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Μοριακής Βιολογίας (EMBO, 2004), της Academia Europaea , της Επιτροπής Κρίσεως Ερευνητικών Προγραμμάτων του Ευρωπαϊκού Συμβουλίου Έρευνας (ERC). Είναι ιδρυτής του Ελληνικού Κέντρου Γονιδιωματικής (Greek Genome Center), εθνικός εκπρόσωπος στην Επιτροπή Σύνταξης του Ευρωπαϊκού Χάρτη Ερευνητικών Υποδομών (ESFRI) και στην Ευρωπαϊκή Επιτροπή Κατάρτισης του Προγράμματος Horizon 2020 (2014-2020), μέλος του Διοικητικού Συμβουλίου των Ευρωπαϊκών Ερευνητικών Υποδομών Βιοτραπεζών και Βιολογίας Συστημάτων.
Είναι τακτικό μέλος της Ακαδημίας Αθηνών από το 2016.