Ο Δημήτριος Πικιώνης γεννήθηκε στον Πειραιά στις 26 Ιουνίου 1887  και ήταν πρώτος εξάδελφος του ποιητή Λάμπρου Πορφύρα ο οποίος ήταν μέλος της Στοάς Μιαούλης του Πειραιά.  Το 1906 έγινε ο πρώτος (χρονολογικά) μαθητής του Κωνσταντίνου Παρθένη ενώ παράλληλα σπούδαζε στο Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Αθηνών, απ’ όπου το 1908 πήρε το δίπλωμα του πολιτικού μηχανικού. Στη συνέχεια πήγε στο Μόναχο για να κάνει σπουδές στο ελεύθερο σχέδιο και τη γλυπτική. Στο Παρίσι, διδάχθηκε σχέδιο και ζωγραφική στην Académie de la grande Chaumière.

Το 1912, την περίοδο των Βαλκανικών πολέμων, επέστρεψε στην Ελλάδα, κατατάχθηκε και όταν αποστρατεύτηκε στράφηκε και πάλι στην αρχιτεκτονική για να συμπληρώσει τις γνώσεις του αρχίζοντας και τις πρώτες μελέτες του πάνω στην αρχιτεκτονική της νεοελληνικής παράδοσης. Το 1921 διορίστηκε επιμελητής του καθηγητή Αναστάσιου Ορλάνδου στο μάθημα της Μορφολογίας της Αρχιτεκτονικής και Ρυθμολογίας όπου παρέμεινε μέχρι τα μέσα του 1923. Το 1925 ονομάστηκε έκτακτος καθηγητής του Ε.Μ.Π. στην έδρα της Διακοσμητικής και μονιμοποιήθηκε το 1930.

Το 1928 ανετέθη στους αδελφούς Πικιώνη και Θεοχαρόπουλο η μελέτη για την ανέγερση του Τεκτονικού Μεγάρου Αθηνών.

Από το 1951 ως το 1957, ασχολήθηκε με πολλά έργα. Ανάμεσά τους η διαμόρφωση του αρχαιολογικού χώρου γύρω από την Ακρόπολη και τον λόφο Φιλοπάππου, ίσως το σημαντικότερο έργο του, και το τουριστικό περίπτερο του Αγίου Δημητρίου Λουμπαρδιάρη, επιδιώκοντας το κατ’ εκείνον ιδεώδες, τη σύνδεση του οικουμενικού πνεύματος με το πνεύμα της παράδοσης. Η διαρρύθμιση των υπαίθριων χώρων γύρω από τον Ιερό Βράχο αποτελεί ένα έργο τέχνης. Το 1958, μετά από 35ετή θητεία στο ΕΜΠ ως καθηγητής, αποσύρθηκε.

Το 1966 εκλέχθηκε τακτικό μέλος της Ακαδημίας Αθηνών.

Στις 28 Αυγούστου του 1968 πέθανε στην Αθήνα.