1947’de Ankara’nın Ayaş ilçesinde, ailenin üç erkek çocuğundan ikincisi olarak doğdu. İlk ve orta öğrenimini Sivas’ta, liseyi İstanbul’da Haydarpaşa Lisesi’nde okudu. Henüz lise öğrencisiyken sol düşünceyle tanıştı ve kendini dönemin eylemleri içinde buldu. 1965’te Türkiye İşçi Partisi’nin (TİP) Üsküdar ilçe başkanlığına üye oldu. 1966 yılında girdiği üniversite sınavında hem fen fakültesini hem de hukuk fakültesini kazandı. Babası, Deniz'in fen fakültesine gitmesini istedi. Deniz, babasının isteğini geri çevirmeyerek fen fakültesine gitmeyi kabul etti. Fakat daha sonra fikir değiştirerek 1966'da İstanbul Üniversitesi Hukuk Fakültesi’ne kayıt yaptırdı. Hukuk Fakültesi’nde birlikte okuduğu arkadaşlarıyla birlikte 30 Ocak 1968’de "Devrimci Hukukçular Örgütü"’nü kurdu. İstanbul’a gelen 6. Filo’yu protesto eylemlerinde yer alan Gezmiş, 30 Temmuz 1968’de bu eylemlerden dolayı tutuklandı ve 20 Eylül 1968’de serbest bırakıldı. Bütün bu olaylardan sonra öğrenci hareketinin efsanevi lideri haline geldi. Sinan CEMGİL ve Hüseyin İNAN’la birlikte Ankara’da THKO’yu kurdu. 11 Ocak 1971’de THKO adına Ankara İş Bankası Emek Şubesi’nin soygununu gerçekleştirenler arasında yer aldı. Bu olaydan sonra Yusuf ASLAN’la beraber "vur emri" ile aranmaya başlandı. 12 Mart Muhtırası olduktan üç gün sonra bir motosiklette Deniz Gezmiş ve Yusuf Aslan yola çıktılar. Deniz Gezmiş, Yusuf Aslan ile birlikte Sivas’a gitmekteyken motosikletleri bozuldu. Bir ihbar sonucu polislerin gelmesi üzerine çıkan çatışmada Gezmiş, 16 Mart 1971 Salı günü Sivas’ın Gemerek ilçesinde etrafı sarılarak yakalandı ve Kayseri’ye getirildi. Ankara Sıkıyönetim Komutanlığı 1 no'lu Mahkemesi’nde başlayan mahkeme ile Deniz ve arkadaşları, TCK’nin 146. maddesini ihlâl ettiği gerekçesiyle 9 Ekim 1971'de 146/1 maddesi uyarınca idam cezasına çarptırıldı. 6 Mayıs 1972 tarihinde, Ulucanlar Cezaevi’nde asılarak idam edildi. İdamından sonra devrim mücadelesinin çok önemli bir sembolü oldu.