Основатель физического факультета и Ленинградской физической школы.
Родился в Петербурге в семье преподавателя истории. В 1894–1900 годах учился на физико-математическом факультете Петербургского университета. В 1900–1903 годах изучал физику во Франции и Германии. В 1912 году защитил магистерскую диссертацию «Аномальная дисперсия в парах натрия», в 1915 году докторскую диссертацию «Простые соотношения в спектрах щелочных металлов». Академик АН СССР (1929).
В 1918–1932 годах — организатор и директор Государственного Оптического Института. В 1919 году организовал Физическое отделение на физико-математическом факультете ЛГУ и провел реформу преподавания физики. В 1919–1929 годах — заведующий кафедрой оптики. В 1915–1934 годах — директор Физического института Университета.
Начал в университете интерференционные эксперименты. Работы Д. С. Рождественского вывели физику спектров на новый уровень. Именно он обобщил теорию Бора на более сложные атомы и сформулировал основные положения систематики атомных спектров (1919). Одним из первых высказал предположение о магнитном происхождении спектральных дублетов и триплетов (1921). Важнейшим прикладным результатом работы Д. С. Рождественского в оптике стал его оригинальный метод точного количественного исследования аномальной дисперсии (метод крюков). Ему принадлежит идея интерферометра, названного его именем и другие изобретения.
Во время гражданской войны создал первую советскую физическую школу. Ей принадлежат такие имена как А. А. Лебедев, А. Н. Теренин, В. А. Фок, Е. Ф. Гросс, С. Э. Фриш, В. М. Чулановский и другие. Важнейшие работы: «Аномальная дисперсия в парах натрия» (1912), «Простые соотношения в спектрах щелочных металлов».