デメトリオス・パレオロゴスは、おそらく1407年に生まれた。東ローマ（ビザンツ）皇帝マヌエル2世パレオロゴスと皇后エレナ・ドラガシの第5子である。悲劇的な時代を生きていたギリシャ世界にとって、この皇子がやがて大きな傷跡となる存在に育つことは、幼い頃から予感されていた。
野心ゆえのハンガリー亡命
野心家で利己的だった彼は、15歳のとき父から与えられたレムノス島の領地に満足できなかった。兄たちに対抗するため、ハンガリー王ジギスムントのもとへ赴いて支援を求めたのである。彼は1427年までハンガリーに留まった。
教会合同公会議での裏切り
その間にマヌエル2世は崩御し、長男のヨハネス8世が帝位を継いだ。1437年11月、デメトリオスは皇帝に随行してフェッラーラを訪れ、東西教会合同を協議する公会議に参加した。ところが彼はそこで反合同派の立場を鮮明にし、皇帝である兄の許可も得ないままコンスタンティノープルへ帰還してしまった。
この背信行為への懲罰として、彼はレムノス島の統治権を剥奪された。ただし、オスマン朝との接触を深めていたことから、代わりにメセンブリア（現ブルガリアのネセバル）の都市を与えられた。1442年4月、デメトリオスはスルタン・ムラト2世から供給されたトルコ軍の援護を受けてコンスタンティノープルを攻撃したが、撃退された。投獄されたものの脱走に成功し、帝都対岸のジェノヴァ人拠点ガラタへ逃げ込んだ。
1448年のクーデター未遂
1448年にヨハネス8世が死去すると、皇位継承者の弟コンスタンティノス11世がまだミストラスに滞在中だったため、デメトリオスは帝都奪取のクーデターを企てた。しかし、この策略家の野望は、母エレナの迅速な対応によってまたしても挫折した。
ミストラス専制公としての歳月
厄介な弟を遠ざけたいコンスタンティノス11世は、ミストラス専制公国の半分をデメトリオスに委ねることで、事実上彼を首都から追い払った。残る半分は弟トマス・パレオロゴスの管轄となった。1453年のコンスタンティノープル陥落後、パレオロゴス兄弟は1454年、オスマン軍の支援を受けたデメトリオス・カンタクゼノスの反乱に直面することになる。
ところがその直後、デメトリオスは矛先をトマスへ向け、今度は自らトルコの支援を仰いだ。トマスが要求に屈して領土を譲ったことで、兄弟は一応の和解を見た。しかしオスマン朝は両兄弟を納税義務を負う臣下とした。彼らが貢納を怠り、内紛まで重なったため、メフメト2世はペロポネソス半島への遠征を決意した。
無血降伏と没落の晩年
トマス・パレオロゴスはイタリアへ亡命した。一方のデメトリオスは抵抗するふりを見せただけで、実際には一戦も交えることなくミストラスをオスマン帝国へ明け渡し、個人的な恩賞を手にした。スルタンは彼に、トラキアのアイノス市からの収入、ならびにタソス島とサモトラケ島の収入の一部を与えた。デメトリオスは1467年まで家族とともにアイノスで暮らした。
しかし、その後オスマン朝に納めるべき税を着服したことが発覚し（歴史家スフランツェスの記述による）、メフメト2世の信任を完全に失った。全財産を没収されたデメトリオスと親族たちはディディモテイコへ逃れ、嘆きの日々を過ごした。結局、スルタンは彼を許し、僅かな年金とともにアドリアノポリスへ住まわせた。1469年に娘エレナが死去すると、彼はダヴィドと名乗る修道士となった。1470年、そのままの身分で世を去り、後に残したのは悪評ばかりであった。