Димитър Моллов е роден на 7 януари 1846 (26 декември 1845 стар стил) в Елена. Първоначално учи в Беброво, родното село на баща си. През 1860-1862 е учител в Садина, Ковачевец и Върбица. След това учи в гимназия и завършва семинарията в Киев (1867). Със стипендия на Славянското благотворително общество завършва медицина в Московския университет (1873), а след това защитава и докторат, също в Москва (1876).

 Моллов участва като доброволец в Сръбско-турската война през 1876, като организира санитарен отряд и военнополева болница. По време на Руско-турската война е губернски лекар във Видин (1877) и ръководител на санитарен влак на Червения кръст. След Освобождението е народен представител през 1879-1881, 1884-1886, 1894-1896 и 1901-1903.

След кризата с Режима на пълномощията Моллов се присъединява към партията на Драган Цанков и е министър на просветата през 1883-1884. Като краен русофил, след убийството на Христо Белчев през 1891 е интерниран в Беброво. Завръща се в София след падането на Стефан Стамболов през 1894 и оглавява парламентарна анкетна комисия за разследване на дейността на предходното правителство. За кратко е и кмет на София (1895-1896).

Димитър Моллов е един от организаторите на здравното дело в България. Той е създател на първия здравен закон (1879), председател на Върховния медицински съвет (1879-1882), един от иницаторите за основаването на Александровска болница в София, основател на Българския червен кръст (1883), заместник главен лекар на Българската войска (1884-1887), съосновател (1901) и пръв председател на Българския лекарски съюз. През 1881 Моллов става дописен, а през 1884 - действителен член на Българското книжовно дружество. Той е и негов подпредседател (1898-1911) и председател на Природо-медицинския клон (1884-1898, 1900-1911).
Виж още: Кметовете на София