Дмитрий Мордухай-Болтовской родился в городе Павловске Петербургской губернии в семье инженера путей сообщения. Дмитрий Дмитриевич носил фамилию старинного дворянского рода Мордухай-Болтовских.

Среднее образование Дмитрий Дмитриевич получил в Санкт-Петербургской первой классической гимназии. По окончании гимназии в 1894 году поступил на физико-математический факультет Петербургского университета и окончил его в 1898 году.

Работал в Варшавском политехническом институте, где с 1899 года стал штатным профессором. В 1901 году защитил в Петербурге магистерскую диссертацию. В 1906 году вместе с частью института был откомандирован в Новочеркасск, где преподавал в Донском политехническом институте. В 1909 году был избран профессором математики Варшавского императорского университета. В 1910 году Мордухай-Болтовским был обобщён критерий Лиувилля разрешимости дифференциального уравнения в квадратурах; этот обобщённый критерий носит имя Лиувилля — Мордухай-Болтовского. Он также решил 22-ю проблему Гильберта и близко подошел к решению 7-й проблемы, которую окончательно решил А. О. Гельфонд.

В 1915 году Варшавский университет был эвакуирован в Ростов-на-Дону, и Дмитрий Дмитриевич переселился на Дон, ему даже удалось перевезти свою научную библиотеку, которую он подарил университету. Ученый работал в университете почти всю жизнь, вплоть до эвакуации в годы Великой Отечественной войны.  Во время войны Мордухай-Болтовской продолжал читать лекции. Свидетели описывают это так:

«В аудитории температура была ниже нуля, в разбитое окно задувал холодный ветер, и пришлось перейти в другую аудиторию, где хотя бы стекла были целы. Дмитрий Дмитриевич просидел почти двухчасовой доклад, усы его покрылись инеем, руки и ноги у всех окоченели от холода... Однако по окончании доклада Дмитрий Дмитриевич почти в течение часа с увлечением рассказывал о геометрии Лобачевского... Пальцы рук Дмитрия Дмитриевича так закоченели, что он не мог держать в руках мел, часто клал его и дыханием отогревал пальцы».

Дмитрий Дмитриевич Мордухай-Болтовской опубликовал более 300 научных работ по самым разным разделам математики: математическому анализу, теории чисел, дифференциальной и проективной геометрии, теории дифференциальных уравнений (в частности, проблема интегрирования в квадратурах), математической логики, а также по истории математики, философским вопросам математики и методике преподавания. В области истории математики его крупнейшим вкладом считается академическое издание комментированного русского перевода «Начал» Евклида и «Математических трудов» Ньютона.

В 1935 году Дмитрию Дмитриевичу была присвоена степень доктора физико-математических наук без защиты диссертации.

Математика была для Мордухай-Болтовского частью культуры, и он стремился показать своим ученикам культурный фон возникновения и развития математических идей!