Ο Δημήτριος Θέμελης ήταν οπλαρχηγός , αγωνιστής του 1821 και πολιτικός.
Γεννήθηκε το 1772-1774 στην Πάτμο, όπου έκανε και τις πρώτες του σπουδές, για να τις συνεχίσει στην Κωνσταντινούπολη, και όταν τις τελείωσε μετέβη στην Μολδαβία, όπου δίδασκε κατ’ οίκον. Μυήθηκε στην Φιλική Εταιρεία από τον Παπαφλέσσα, και είχε τον βαθμό του Απόστολου, γι’ αυτό άλλωστε γύρισε όλα σχεδόν τα νησιά του Αιγαίου και μέρη της Μικράς Ασίας για να ξεσηκώσει τον λαό. Όμως, προδόθηκε σε κάποιο σημείο από τον Μητροπολίτη και δημογέροντες της Σμύρνης και, όπως αναφέρει ο Ι. Φιλήμων, «εβιάσθη να περιορισθή εις την Πάτμον μέχρι της κινήσεως των όπλων», αφού οι Οθωμανοί τον καταδίκασαν σε θάνατο γι’ αυτές του τις ενέργειες.
Στις 12 Απριλίου του 1821, δύο ημέρες μετά τον απαγχονισμό του Πατριάρχη Κωνσταντινουπόλεως Γρηγορίου Ε’, ύψωσε μαζί με τον Πατριάρχη Αλεξανδρείας Θεόφιλο Παγκώστα, στη Χώρα της Πάτμου, τη σημαία της Επαναστάσεως. Πήρε μέρος στην Άλωση της Τριπολιτσάς και σε πολλές ναυτικές επιδρομές. Είχε χρηματίσει προεστός μέλος του Βουλευτικού και πληρεξούσιος της Πάτμου στην Β’ Εθνοσυνέλευση του Άστρους, το 1823.
Την 12η Μαρτίου 1825 διορίζεται από το Εκτελεστικό Σώμα ως μέλος της τριμελούς προσωρινής επιτροπής συναποτελούμενης και από τους Ιωάννη Παπαδιαμαντόπουλο (πρόεδρο) και Γεώργιο Καναβό, με σκοπό την διεύθυνση των πολεμικών και πολιτικών πραγμάτων της Δυτικής Ελλάδος. Η τριμελής επιτροπή έφτασε στο Μεσολόγγι στις 12 Απριλίου, πριν την έναρξη της τρίτης πολιορκίας του Μεσολογγίου.
Σκοτώθηκε στις 26 Μαρτίου 1826 κατά την διάρκεια της πολιορκίας, από εχθρικό βόλι που δέχτηκε στο κεφάλι κοντά στο τείχος του Μεσολογγίου. Προτομή του υπάρχει στον Κήπο των Ηρώων. Προς τιμήν του, οδοί που φέρουν το όνομά του βρίσκονται στην Αθήνα (μία μικρή οδός κάθετη στην Λεωφόρο Αλεξάνδρας), στο Μεσολόγγι, στην πόλη της Ρόδου, στην Λευκωσία και αλλού.
Γιος του ήταν ο επίσης αγωνιστής της Ελληνικής Επανάστασης του 1821, Ιωάννης Θέμελης.