Родился в 1921 году на Украине. После окончания средней школы в 1939 году поступил в артиллерийское училище. Участник Великой Отечественной войны, воевал на Карельском и Западном фронтах. За мужество и героизм награждён орденами Отечественной войны и Красной Звезды.
В послевоенные годы закончил Академию имени Фрунзе, курсы Генштаба и был направлен в Главное разведывательное управление (ГРУ). C мая 1951 по июль 1956 года в звании подполковника работал в США под прикрытием должности офицера для поручений при представительстве СССР в Военно-штабном комитете ООН. В те годы у Полякова родился сын, который через три месяца заболел трудноизлечимой болезнью. Для спасения ребёнка была нужна сложная операция стоимостью 400 долларов. Денег у Полякова не хватало, и он обратился за материальной помощью к резиденту ГРУ генерал-майору И. А. Склярову. Тот сделал запрос в Центр, но руководство ГРУ отказало в этой просьбе. Поляков отказался, и сын вскоре умер.
В 1959 году вернулся в Нью-Йорк в звании полковника под прикрытием должности начальника секретариата представительства СССР при Военно-штабном комитете ООН (реальная должность - заместитель резидента ГРУ по нелегальной работе в США).
8 ноября 1961 года по собственной инициативе предложил сотрудничество ФБР, назвав на первой встрече шесть фамилий шифровальщиков, работавших в советских загранпредствительствах в США. Позднее объяснял свой поступок идеологическим несогласием с политическим режимом в СССР. На одном из допросов заявил, что хотел «помочь западной демократии избежать натиска хрущёвской военной и внешнеполитической доктрины». ФБР присвоило Д. Ф. Полякову оперативный псевдоним «Топхэт» (от англ. tophat - цилиндр). На второй встрече с фэбээровцами 26 ноября 1961 г. назвал 47 фамилий советских разведчиков ГРУ и КГБ, работавших в то время в США. На встрече 19 декабря 1961 г. сообщил данные о нелегалах ГРУ и офицерах, поддерживавших с ними связь. На встрече 24 января 1962 г. выдал американских агентов ГРУ, остальных советских нелегалов, о которых он умолчал на предыдущей встрече, работавших с ними офицеров нью-йоркской резидентуры ГРУ, дал наводки на некоторых офицеров на предмет их возможной вербовки. На встрече 29 марта 1962 г. опознал на фотографиях советских дипломатов и сотрудников советских представительств в США, показанных агентами ФБР, известных ему разведчиков ГРУ и КГБ. На последней встрече 7 июня 1962 г. выдал нелегалку Мэйси (капитан ГРУ М. Д. Доброва) и передал ФБР переснятый секретный документ ГРУ «Введение к организации и проведению секретной работы», позднее включённый в учебное пособие ФБР по подготовке контрразведчиков в качестве отдельного раздела. Дал согласие на сотрудничество в Москве уже с ЦРУ США, где ему присвоили оперативный псевдоним «Бурбон». 9 июня 1962 г. Поляков отплыл в Европу на борту «Куин Элизабет».
Вскоре по возвращении в Москву был назначен на должность старшего офицера третьего управления ГРУ. Ему поручили с позиций Центра курировать деятельность разведаппаратов ГРУ в Нью-Йорке и Вашингтоне. Планировался в третью командировку в США на должность старшего помощника военного атташе при посольстве СССР в Вашингтоне. Провёл в Москве несколько тайниковых операций, передавая ЦРУ секретную информацию (в частности, переснял и передал телефонные справочники Генерального штаба Вооружённых Сил СССР и ГРУ).
После упоминания фамилии Полякова в газете «Лос-Анджелес таймс» в отчёте о судебном процессе над выданными им нелегалами Саниными руководством ГРУ было признано невозможным дальнейшее использование Полякова по американской линии. Поляков был переведён в управление ГРУ, которое занималось разведкой в странах Азии, Африки и Ближнего Востока. В 1965 году был назначен на должность военного атташе при посольстве СССР (резидента ГРУ) в Бирме. В августе 1969 года вернулся в Москву, где в декабре был назначен исполняющим обязанности начальника направления, которое занималось организацией разведработы в КНР и подготовкой нелегалов для заброски в эту страну. Затем стал начальником этого направления.
В 1973 году был направлен в качестве резидента в Индию, в 1974 году получил звание генерал-майора. В октябре 1976 вернулся в Москву, где был назначен на должность начальника третьего разведывательного факультета Военно-дипломатической академии, оставшись при этом в резерве назначения на должности военного атташе и резидента ГРУ. В середине декабря 1979 года вновь выехал в Индию на прежнюю должность военного атташе при посольстве СССР (старшего оперативного начальника разведаппаратов ГРУ Генштаба в Бомбее и Дели, отвечающего за стратегическую военную разведку в Юго-Восточном регионе).
Служил в должности начальника факультета Военной академии Советской Армии.
В 1980 году по состоянию здоровья вышел в отставку. После ухода на пенсию генерал Поляков стал работать вольнонаёмным в управлении кадров ГРУ, получив доступ к личным делам всех сотрудников.
На неоднократные предложения переехать в США Поляков отвечал отказом: «Не ждите меня. Я никогда не приеду в США. Я делаю это не для вас. Я делаю это для своей страны. Я родился русским и умру русским».
Был арестован 7 июля 1986 года. 27 ноября 1987 года Военной коллегией Верховного суда СССР был приговорён к расстрелу. Приговор приведён в исполнение 15 марта 1988 года. Официальная информация о приговоре и его исполнении появилась в советской печати лишь в 1990 году. А в мае 1988 президент США Рональд Рейган во время переговоров с М. С. Горбачёвым озвучил предложение американской стороны помиловать Д. Полякова, либо обменять его на кого-либо из арестованных в США советских разведчиков, но просьба запоздала.
По основной версии, причиной разоблачения Полякова стала информация тогдашних сотрудника ЦРУ Олдрича Эймса или сотрудника ФБР Роберта Ханссена, сотрудничавших с КГБ СССР.
По имеющейся в открытых источниках информации за время сотрудничества передал ЦРУ информацию о девятнадцати советских разведчиках-нелегалах, действовавших в западных странах, о ста пятидесяти иностранцах, сотрудничавших с разведслужбами СССР и о примерно 1500 действующих сотрудников разведслужб СССР. В сумме - 25 ящиков секретных документов в период с 1961 по 1986 год.