В 1989-1991 годах работал программистом в компании Copris&M.

В 1989 году основал одну из первых в стране студий компьютерной графики «Информатика Маркетинг Сервис».

В 1993 году стал соучредителем Media Arts – одного из крупнейших в России коммуникационных холдингов, которым управлял в течение 12 лет.

С 1998 по 2002 год – гендиректор продюсерского центра ДТВ-МА – одного из крупнейших производителей рекламных роликов в СНГ.

В 2002 году возглавил агентство Sportima (спортивный маркетинг), которое вскоре стало партнером Росспорта по продвижению крупных соревнований.

В 2005-2007 годы – генеральный директор Заявочного комитета «Сочи-2014».

В 2007-2014 годы – президент Организационного комитета XXII Олимпийских зимних игр и XI Паралимпийских зимних игр 2014 года в Сочи.

В 2007-2014 годах занимал должность заместителя председателя Наблюдательного совета ГК «Олимпстрой».

В октябре 2014 года возглавил инвестиционную компанию Volga Group.

В 2014-2020 годы – президент и председатель правления Континентальной хоккейной лиги.

В январе 2015 года возглавил АО «Газпром-Медиа Холдинг».

С октября 2018 года также руководил субхолдингом «ГПМ Развлекательное ТВ».

21 января 2020 года Дмитрий Чернышенко указом президента назначен заместителем председателя правительства Российской Федерации. В должности вице-премьера курирует цифровую экономику, инновации, телекоммуникации, науку, туризм, спорт и др.

26 февраля 2021 года премьер-министр России Михаил Мишустин назначил Чернышенко руководителем Координационного центра правительства, который призван обеспечить оперативное взаимодействие федеральных и региональных органов исполнительной власти, а также организаций при разрешении штатных и нештатных ситуаций.

Член президиума Совета при президенте РФ по стратегическому развитию и национальным проектам, член Совета при президенте РФ по развитию физической культуры и спорта.

Чернышенко награжден орденом Почета (2007), орденом «За заслуги перед Отечеством» II степени (2014), орденом Дружбы (2019), Благодарностью президента РФ (2018), орденом преподобного Сергия Радонежского II (2014) и III (2006) степеней, орденом Святого благоверного князя Александра Невского II степени (2021) и др.

Женат, двое детей.