Родился 23 февраля 1969 года в Мурманске. Окончил МГУ им. М. В. Ломоносова (1994), специальность — «социология». В 1997 году окончил аспирантуру МГУ, кандидат экономических наук. В 2006 году закончил Российскую академию государственной службы при Президенте РФ (РАНХиГС), специальность — «юриспруденция».

В начале 90-х работал в российско-индийском совместном предприятии, занимавшемся авиаперевозками. С 1993 года занимался экспортом вертолетов Ми-8 с Улан-Удэнского авиационного завода. В 1998—2000 годах занимал должность заместителя генерального директора Улан-Удэнского авиационного завода. В 2000—2001 годах был коммерческим директором ОАО «Московский вертолётный завод имени М. Л. Миля». В 2001—2003 годах занимал должность заместителя Председателя ФГУП «Государственная инвестиционная корпорация». В 2003—2007 годах — генеральный директор ОАО «Объединенная промышленная корпорация „Оборонпром“». С 11 сентября 2007 года по 19 мая 2008 заместитель Министра промышленности и энергетики Российской Федерации[. С 19 мая 2008 года назначен заместителем Министра промышленности и торговли Российской Федерации.

С 1 декабря 2011 года является профессором кафедры «Системы управления экономическими объектами» Московского авиационного института. Денис Мантуров входит в «первую сотню» резерва управленческих кадров, находящихся под патронатом Президента Российской Федерации.

2 февраля 2012 года премьер-министром РФ В. Путиным Мантуров назначен и. о. министра промышленности и торговли Российской Федерации.

21 мая 2012 года Мантуров назначен министром промышленности и торговли РФ. С ноября 2012 года также является председателем Наблюдательного совета Госкорпорации Ростех.