Дмитрий Евгеньевич Сычёв родился 26 октября 1983 года в Омске, в семье спортсменов. Мать — легкоатлетка Елена Семёнова, отец — футболист Евгений Сычёв. Отец с малых лет брал сына на тренировки.
Учился Дима в 77-ой школе города Омска, в спортивном спецклассе для мальчиков. Пользовался авторитетом среди одноклассников. Любимый предмет был английский язык. В 10 лет начал заниматься в СДЮШОР № 20 спортивного общества «Динамо» в юношеской команде под началом тренера Михаила Семерня. В команде быстро стал лидером и был выбран капитаном.
После девятого класса Дмитрий был приглашен в юниорскую сборную России.
С июня 2000 года Дмитрий член тамбовского «Спартака». Удачным для Сычёва был турнир памяти Гранаткина, после которого он получил предложения от известных клубов, в том числе от ведущих клубов Украины и Германии.
В январе 2002 года состоялся дебют Сычёва в составе московского «Спартака» на турецком турнире. Успешная карьера в составе этой команды была прервана конфликтом.
С декабря 2002 года Сычёв стал членом марсельского «Олимпика», выступал за него до 2004 года. В 2004 перешёл в московский «Локомотив», а в марте 2015 года он стал игроком казахстанского клуба «Окжетпес». В 2002-2010 годах Сычёв также участвовал и в матчах за сборную России. Летом 2017 года футболист вернулся в московский «Локомотив» и вошёл в состав второй команды клуба «Казанка». В августе 2019 года он подписал однолетний контракт с клубом чемпионата Армении «Пюник», но в конце 2019 года объявил о завершении карьеры.
Параллельно с карьерой футболиста Дмитрий занимался и образованием — в 2007 году он окончил РГУФК, куда перевёлся в 2002 году из Тамбовского института физкультуры. Диплом по теме «Совершенствование финансово-экономической деятельности в футбольных клубах России» был защищён на «отлично». Дальнейшее образование Дмитрий продолжил на факультете мировой политики МГУ.
В свободное время Дмитрий Сычёв любит поиграть в хоккей, теннис или бильярд, увлекается серфингом. Также он занимается бизнесом и известен своим участием в различных телепроектах. Зимой 2024 года Сычёв был назначен на должность президента омского футбольного клуба «Иртыш».
