Ο Δ. Θ. Τσάτσος γεννήθηκε στην Αθήνα το 1933. Σπούδασε Νομικά στην Αθήνα και στη Χαϊδελβέργη.

Το 1965 εργάστηκε ως ερευνητής στο Max-Planck Institut. To 1968 εκλέγεται υφηγητής και διδάσκει στη Νομική Σχολή του Πανεπιστημίου της Βόννης. Την ίδια χρονιά εκλέγεται υφηγητής του Συνταγματικού Δικαίου στη Νομική Αθηνών. Το δικτατορικό όμως καθεστώς δεν του επιτρέπει να διδάξει.

Το 1969 εκλέγεται καθηγητής στο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης, αλλά δεν διορίζεται από τη δικτατορία. Το 1970 εκλέγεται μόνιμος καθηγητής στο Πανεπιστήμιο της Βόννης. Το 1973 είναι πολιτικός κρατούμενος λόγω της αντιδιδακτορικής του δράσης. Το 1974, ως υφυπουργός της Ανώτατης Παιδείας στην Κυβέρνηση Εθνικής Ενότητας, θεσπίζει τα μέτρα κάθαρσης στα Πανεπιστήμια κατά των συνεργατών της δικτατορίας. Το 1975, ως βουλευτής Αθηνών, ήταν ο γενικός εισηγητής για το Σύνταγμα εκ μέρους όλων των κομμάτων της αντιπολίτευσης. Από το 1988 έως το 1992 διετέλεσε Πρόεδρος της Ένωσης Ελλήνων Συνταγματολόγων.

Από το 1980 έως και σήμερα είναι καθηγητής του Συνταγματικού Δικαίου στο Πάντειο Πανεπιστήμιο Κοινωνικών και Πολιτικών Επιστημών και της Νομικής Σχολής του Πανεπιστημίου Hagen. Από το 1987 έως το 1997 ήταν Διευθυντής του Ερευνητικού Ινστιτούτου Ευρωπαϊκού και Γερμανικού Δικαίου των πολιτικών κομμάτων στο Πανεπιστήμιο του Hagen.

To 1995 του απονεμήθηκε το "Πολιτιστικό Βραβείο Ευρώπη 1995".

Είναι ιδρυτής και Πρόεδρος του Κέντρου Ευρωπαϊκού Συνταγματικού Δικαίου - Ιδρύματος Θεμιστοκλή και Δημήτρη Τσάτσου.

Τον Ιούνιο του 1994 εκλέγεται ευρωβουλευτής. Το 1997 ήταν εισηγητής στο Ευρωκοινοβούλιο για τη Συνθήκη του Άμστερνταμ, η οποία τροποποίησε τη Συνθήκη του Μάαστριχτ.

Το 1998 του απονέμεται από την Ομοσπονδιακή Δημοκρατία της Γερμανίας ο "Χρυσός Σταυρός του Τάγματος της Αξίας" για τη συμβολή του στην ειρήνη αγώνες κατά της δικτατορίας), στην ιδέα της ευρωπαϊκής ολοκλήρωσης, αλλά και στη γερμανική επιστημονική ζωή.

Το 2002 η Ομοσπονδιακή Δημοκρατία της Γερμανίας τον τιμά, ως πρωτεργάτη των ελληνογερμανικών σχέσεων, με την ανώτατη τιμητική διάκριση, του "Μεγαλόσταυρου του Τάγματος της Αξίας".

Το Δεκέμβριο του 2001 αναγορεύεται επίτιμος διδάκτορας του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης. Το Νοέμβριο του 2003 εκλέγεται επίτιμος καθηγητής του γερμανικού και ευρωπαϊκού Συνταγματικού Δικαίου στη Νομική Σχολή του Πανεπιστημίου του Dusseldorf.

Το Σεπτέμβριο του 2005 ανέλαβε την Προεδρία του Επιστημονικού Συμβουλίου του Ινστιτούτου Τοπικής Αυτοδιοίκησης. Μετά τις εκλογές του 2009 υπήρξε σύμβουλος του υπουργού Εσωτερικών, Γιάννη Ραγκούση.

Ο Δ. Θ. Τσάτσος έφυγε από τη ζωή τον Απρίλιο του 2010.