Вищу юридичну освіту здобув у Одеській національній юридичній академії.
З 2006 по 2019 рік аспірант, асистент, доцент, докторант кафедри кримінального права академії (з 02.09.2010 року Національного університету «Одеська юридична академія»). Викладав такі дисципліни: «Кримінальне право (Особлива частина)», «Злочини у податковій сфері», «Кваліфікація комп’ютерних злочинів», «Протидія економічним злочинам», «Правові проблеми корупції, тіньової економіки та боротьби із ними», «Кваліфікація корупційних злочинів».
У 2009 році захистив кандидатську дисертацію на тему: «Підстави кримінальної відповідальності за хабарництво (надання та одержання хабара)».
З 2012 року член Громадської організації «Всеукраїнська асоціація кримінального права» та адвокат.
У 2015 році присвоєно вчене звання доцента кафедри кримінального права.
У 2018 році захистив дисертацію на здобуття наукового ступеня доктора юридичних наук за спеціальністю 12.00.08 – кримінальне право та кримінологія; кримінально-виконавче право на тему: «Концепція кримінально-правової протидії корупційним злочинам в Україні».
Автор більше 100 опублікованих наукових робіт в Україні та за її межами, у тому числі посібника «Кваліфікація корупційних злочинів» (Одеса, 2013) та монографії «Протидія корупційним злочинам засобами кримінального права: концептуальні основи» (Одеса, 2017 рік), 15 наукових висновків, законопроектів з проблем протидії корупції засобами кримінального права.
Указом Президента України № 129/2019 від 11 квітня 2019 призначено суддею Апеляційної палати Вищого антикорупційного суду. Присягу судді склав 11 квітня 2019 року.
Рішенням зборів суддів Вищого антикорупційного суду від 25 березня 2026 року Дмитра Михайленка обрано заступником Голови Вищого антикорупційного суду