Dainius Žalimas gimė 1973 m. gegužės 22 d. Vilniuje. 1991 m. baigė Vilniaus 27-ąją vidurinę mokyklą, 1991-1996 m. VU Teisės fakultete teisės studijas, įgijo teisininko kvalifikaciją. 2001 m. balandžio 26 d. apgynė disertaciją. Yra socialinių mokslų (teisės krypties) daktaras.
Nuo 1996 m. VU Teisės fakulteto, vėliau – taip pat VU Tarptautinių santykių ir politikos mokslų instituto (TSPMI) asistentas, mokslo asistentas, lektorius, 2005–2009 m. VU Teisės fakulteto Tarptautinės ir Europos Sąjungos teisės katedros vedėjas, nuo 2009 m. rugsėjo 1 d. VU Teisės fakulteto Viešosios teisės katedros docentas, nuo 2010 m. VU Teisės fakulteto Tarptautinės ir Europos Sąjungos teisės instituto vadovas. 2001–2003 m. Generolo Jono Žemaičio Lietuvos karo akademijos, 2002–2005 m. Lietuvos teisės universiteto (MRU) dėstytojas. 2002-2005 m., 2019-2023 m. MRU, o 2002-2011 m. – VU docentas, 2011-2019 m. – profesorius. 2005-2011 m., 2011-2017 m. Nuolatinio arbitražo teismo narys (paskirtas 6 metų kadencijai nuo Lietuvos Respublikos). Nuo 2021 m. VDU Teisės fakulteto dekanas.
Nuo 1996 m. valstybės tarnautojas, nuo 1998 m. iki 2011 m. krašto apsaugos ministro patarėjas teisininkas, nuo 2011 m. kovo 15 d. Konstitucinio Teismo teisėjas. 2014-2021 m. Lietuvos Konstitucinio Teismo pirmininkas.
2001–2003 m. Vilniaus miesto savivaldybės tarybos narys.
Moka anglų, rusų ir ukrainiečių kalbas.