Ο Δημήτρης Διονυσίου αποφοίτησε από την Ιατρική Σχολή του Πανεπιστημίου Αλεξανδρούπολης το 1996. Ειδικεύτηκε στην Πλαστική Χειρουργική σε νοσοκομεία της Μεγάλης Βρετανίας και στην Κλινική Πλαστικής Χειρουργικής του Πανεπιστημίου της Θεσσαλονίκης. Ο τίτλος του ειδικού Πλαστικού Χειρουργού, του απονεμήθηκε μετά τις επιτυχείς εξετάσεις από την Ελληνική Επιτροπή Πλαστικής Χειρουργικής.
Εξειδικεύθηκε στην επανορθωτική χειρυργική και μικροχειρουργική, στο Queen Victoria Hospital της Μεγάλης Βρετανίας, κατέχοντας έμμισθη θέση επιμελητή Πλαστικής Χειρουργικής από το 2006, όπως επίσης και στην Clinique Jouvenet στο Παρίσι.
Στα ιδιαίτερα ενδιαφέροντά του είναι η αποκατάσταση μαστού μετά τη μαστεκτομή με όλες τις σύγχρονες τεχνικές και η χειρουργική αντιμετώπιση του λεμφοιδήματος.
Επίσης ασχολείται με τις νεώτερες και λιγότερο επεμβατικές τεχνικές της αισθητικής χειρουργικής αλλά και τις επανορθωτικές επεμβάσεις μεγάλων ιστικών ελλειμμάτων των άκρων από κακοήθεις παθήσεις ή από τραυματισμούς.
Στα πλαίσια της συνεχούς επιστημονικής εκπαίδευσής του, παρακολούθησε αλλά και συνεχίζει να παρακολουθεί πλήθος εκπαιδευτικών σεμιναρίων και συνεδρίων, τόσο στην Ελλάδα όσο και στο εξωτερικό, όπου παρουσίασε μεγάλο αριθμό επιστημονικών εργασιών.
Ο κ. Διονυσίου διατηρεί ιδιωτικό ιατρείο Πλαστικής Χειρουργικής στη Θεσσαλονίκη και στις Σέρρες. Είναι Διδάκτορας της Ιατρικής Σχολής του ΑΠΘ, ενώ κατέχει τη θέση του Επίκουρου Καθηγητή της Πλαστικής Χειρουργικής στο Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο της Θεσσαλονίκης.