Родился 22 августа 1973 г. в г. Перми.
С 1990 г. по 1995 г. обучался в Пермском государственном университете на геологическом факультете по специальности «Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых».
Второе экономическое образование получил в РМЦПК при Пермском политехническом институте в период с 2007 г. по 2009 г.
Трудовую деятельность начал с предприятия АО «Пермнефтегеофизика» в должности геофизика. С 1997 г. по 2000 г. работал в ТОО «Новик» в должности инженера-геофизика. В период с 2000 г. по 2003 г. переведен в ЗАО «Лукойл-Пермь» на должность инженера 1 категории в геологический отдел. Затем назначен начальником отдела.
В 2003 г. был переведен в Московское Представительство компании «Лукойл Оверсиз» на должность главного специалиста отдела анализа геологоразведочных работ и лицензионной деятельности. В 2004–2006 гг. осуществлял трудовую деятельность в должности менеджера по геологоразведке в «Лукойл Оверсиз Египет Лтд» в г. Каир.
С 2006 г. по 2007 г. работал в Московском Представительстве компании «Лукойл Оверсиз» в должности главного специалиста в отделе приобретения ГРР активов. С 2007 г. работал в ООО «Нефтьсервисхолдинг» в должности руководителя проектного офиса «Разведка».
В 2009 г. переведен в управление по развитию и координации производственного сервиса на должность менеджера по геофизике. С марта 2010 г. назначен директором Среднеазиатского филиала ООО «ПИТЦ «Геофизика» в Республике Казахстан. Наряду с этим, с сентября 2010 г. вступил в должность директора ТОО «Геофизическая компания «Каспий». На протяжении 5 лет успешно руководит компанией, которая выполняет весь спектр геофизических и гидродинамических работ для нефтедобывающих предприятий на территории Республики Казахстан.
В 2012 г. ТОО «Геофизическая компания «Каспий» становилось лидером года среди группы компаний ООО «Нефтьсервисхолдинг».
За работу поощрен следующими наградами: Лауреат III конкурса молодых ученых и специалистов ОАО «Лукойл» (I место, 2002 г.), Почетная грамота ЗАО «Лукойл-Пермь» (2002 г.), Благодарственное письмо ООО «Нефтьсервисхолдинг» (2007 г.), Золотой значок ООО «ПФП-группа» (2013 г.).
В августе 2017 г. Дмитрий Килейко был назначен министром природных ресурсов Пермского края. Покинул пост в марте 2020 года.