Dmitry Belosselskiy naît à Pavlograd, en Ukraine. Il étudie à l'Académie russe de musique Gnessine à Moscou. Au cours de ses études, il devient soliste du Chœur de Chambre Vladimir Minin, puis du Chœur du Monastère Sretensky de Moscou, avec lesquels il part en tournée autour du monde. Entre 2010 et 2013, il fait partie des solistes de la compagnie du Bolshoï, où il chante notamment Escamillo dans Carmen en 2011.

Parallèlement, la basse prend le rôle de Zaccaria dans Nabucco à Palm Beach en 2010 et fait ses débuts à la Compagnie nationale d'opéra du Canada en 2012 en Ferrando dans Le Trouvère de Verdi : son répertoire devient alors majoritairement verdien. Il se produit ensuite à Rome dans Simon Boccanegra en Jacopo Fiesco. Le rôle de Zaccaria dans Nabucco lui offre ses débuts à La Scala, au Festival de Salzbourg puis à l'Opéra d’État de Vienne en 2013. Il obtient simultanément le rôle d'Oroveso dans Norma (Bellini) à Washington, puis celui de Philippe II dans Don Carlos à Florence, ainsi que le rôle-titre d'Attila au Théâtre de la Vienne, puis aux Chorégies d'Orange en 2014. Cette année-là, le chanteur ukrainien se produit à Houston avec sa prise du rôle de Sparafucile dans Rigoletto. A Vérone, il chante son premier Ramfis dans Aïda, puis obtient le rôle-titre de Boris Godounov de Moussorgski sur la scène du Bolshoï. Il débute au Met dans Aïda et à Munich dans Simon Boccanegra.

En 2015 ont lieu de nouvelles prises de rôles : il est Don Ruy Gomez de Silva dans Ernani au Met, puis le Prince Ivan Khovansky dans La Khovanchtchina (Moussorgski) à l’Opéra d’Etat de Vienne. Après avoir fait ses débuts à La Fenice dans Norma, il ajoute à son répertoire le rôle du Prince Gremine dans Eugène Onéguine (Tchaïkovski) à Houston, puis celui de Talbot dans Jeanne d'Arc (Verdi) à La Scala. L'année suivante, il fait ses débuts à Chicago dans Nabucco. Puis, il retourne au Bolshoï dans La Damnation de Faust de Berlioz, où il enfile pour la première fois le costume de Méphistophélès. En 2017, il fait ses débuts à l'Opéra national de Paris dans Don Carlos, en prenant le rôle du Grand Inquisiteur dans la production événement impliquant Kaufmann, Yoncheva, Tézier, Garanca et Abdrazakov. L’année suivante, il prend le rôle de Wurm dans Luisa Miller et celui du Vieillard hébreux dans Samson et Dalila au Met, où il s'attelle également aux rôles du Commandeur dans Don Giovanni et de Fasolt dans L’Or du Rhin et Siegfried en 2019. Cette année-là, il se rend également au Liceu dans Luisa Miller, ainsi qu'à Francfort pour y prendre le rôle de Boris dans Lady Macbeth du district de Mzensk.

En 2020/2021, Dmitry Belosselskiy retournera au Liceu en Ferrando dans Le Trouvère en octobre, puis fera sa deuxième apparition à l'Opéra de Paris en Ramfis dans Aida en février. Le Met l'accueillera en avril en Zaccaria dans Nabucco tandis qu'il retrouvera Munich pour Aida en juillet.