Народився 5 листопада 1943 р. у с. Марійка Жашківського району Черкаської області.Закінчив у 1959 р. Жашківську середню школу № 2. У 1964 р. закінчив ветеринарний факультет Української сільськогосподарської академії (нині — Національний університет біоресурсів і природокористування України).З 1965 — ветеринарний лікар насіннєвого радгоспу ім. Жданова Вінницької області. Упродовж 1965—1968 рр. навчався в аспірантурі при кафедрі біохімії Української сільськогосподарської академії (УСГА); 1968—1969 рр. — асистент кафедри біохімії УСГА; 1969—1972 рр. — молодший науковий співробітник відділу біосинтезу і біологічних властивостей білків Інституту біохімії ім. О.В. Палладіна HAH Укра­їни; 1972—1982 рр. — старший співробітник цього самого інституту; 1979—1982 рр. — завідувач кафедри біохімії УСГА (за сумісництвом); 1982—1984 рр. — завідувач лабораторії (відділу) регуляції обміну речо­вин Інституту біохімії ім. О. В. Палладіна HAH України.1984—1992 рр. — ректор Української сільськогосподарської ака­демії та за сумісництвом завідувач лабораторії (відділу) регуляції обміну речовин Інституту біохімії ім. О. В. Палладіна HAH Украї­ни (на громадських засадах); 1992—1994 рр. — ректор Українського державного аграрного університету (УДАУ, колишня УСГА); 1994— 2008 рр. — ректор Національного аграрного університету (НАУ, ко­лишній УДАУ); З 30 жовтня 2008 р. — ректор Національного універ­ситету біоресурсів і природокористування України (колишній НАУ).Протягом 1995-1996 рр. за сумісництвом був віце-президентом УААН; з 1996 р. - член Президії УААН; з 2001 р. - віце-президент УААН за сумісництвом.У 1968 р. в УСГА захистив кандидатську дисертацію на тему: «Влияние активизации процессов карбоксилирования на некоторые показа­тели обмена веществ и продуктивность животных» та отримав науко­вий ступінь кандидата біологічних наук. У 1974 р. отримав звання стар­шого наукового співробітника, у цьому самому році в Інституті біохімії ім. О. В. Палладіна НАН України (м. Київ) захистив докторську ди­сертацію на тему: «Углекислота как фактор регуляции обмена веществ животных». У 1978 р. отримав науковий ступінь доктора біологічних наук. У січні 1984 р. присвоєно вчене звання професора.Основним напрямом наукової діяльності Д. О. Мельничука є вивчення молекулярних механізмів регуляції обміну речовин в організмі тварин і людей та пошук і розробка способів корекції їхніх порушень. Обґрунтовано біологічну роль реакцій карбоксилювання і декарбоксилювання в обміні макромолекул та енергії у гетеротрофних організмів; встановлено низку фізико-хімічних закономірностей утворення кар­бонатів білків та отримано нові дані щодо їхньої ролі в регуляції ак­тивності ферментів; розкрито молекулярні механізми системи метабо­лічного гомеостазу в клітинах при порушенні кислотно-лужного стану організму: виявлено специфічні білки мембран епітелію тонкого кишечнику новонароджених тварин, які причетні до формування колострального імунітету; зроблено вагомий внесок у розкриття механізмів впливу змін концентрації бікарбонатів і СО2 у крові на інтенсивність енергетичного, мінерального та азотного обмінів; розкрито молеку­лярні механізми переходу тварин у стан гіпобіозу, а також порушень регуляції обміну речовин під час таких захворювань тварин і людей, як остеопорози й остеомаляції, подагра, діабет, карієс, до- і післяродові та післяопераційні ускладнення (кетози, ацидози, амонійні токсикози), кормові (харчові) ацидози тварин тощо.Є автором (співавтором) близько 600 наукових праць, має 48 патен­тів, 10 підручників і монографій.Під його керівництвом підготовлено 22 кандидати та 10 докторів наук.Обрано в 1990 р. членом-кореспондентом УААН (біохімія); у 1990 р. - академіком УААН Відділення ветеринарної медицини (годівля, фізіологія і біохімія).Академік Національної академії наук України (1997) (біохімія).З 1984 р. - лауреат Державної премії України в галузі науки і техніки, з 1990 р. - заслужений діяч науки і техніки України.Має нагороди - орден Держави та Золоту зірку Героя України (2003), орден Ломоносова (РФ) (2008), орден Франції «За заслуги» (2008), з 2009 р. повний кавалер орденів України «За заслуги» III (1997), II (1998), І ступенів (2009).У 1998 р. Д. О. Мельничук був засновником і Президентом, а те­пер - почесний Президент Всесвітнього консорціуму установ вищої аграрної освіти та досліджень (ОСНБИА). Є членом колегії Міністер­ства аграрної політики та продовольства України, атестаційної колегії Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України з питань при­своєння вчених звань, Президії НААН, Президії Комітету з питань державних премій України в галузі науки і техніки (голова секції «Біо­логія»), обирався депутатом Київської міської та обласної рад.Д. О. Мельничук є почесним доктором університетів: Берлінсько­го ім. Гумбольдта (Німеччина), Гентського (Бельгія), Люблінського університету природничих наук (Польща), Російського державного аграрного університету - МСГА ім. К. А. Тимірязєва, Астраханського технічного університету (РФ), а також почесним професором університетів штатів Айова і Арканзас (США), Варшавського університету наук про життя, Казахського аграрного університету та виїзним про­фесором Токійського аграрного університету (Японія). Він є членом Вищої ради при генеральному директорові ФАО ООН, почесний сена­тор Сенату штату Луїзіана (США).