Ο διεθνούς φήμης καλλιτέχνης γεννήθηκε και μεγάλωσε στην Αλεξάνδρεια. Οι γονείς του Γεώργιος και Όλγα ήταν Έλληνες της Αιγύπτου και η οικογένειά του ήρθε στην Ελλάδα με τις αναταραχές του Σουέζ .
Εγκαταστάθηκε στην Ελλάδα και σε ηλικία μόλις 17 χρόνων ξεκίνησε την μουσική του καριέρα, συμμετέχοντας σε διάφορα μουσικά συγκροτήματα αρχίζοντας με τους “The Idols” και μετέπειτα με τους “We Five” χωρίς κάποια ιδιαίτερη επιτυχία. Ευρύτερα γνωστός έγινε το 1968 με το συγκρότημα «Aphrodite's Child», αρχικά στα φωνητικά και αργότερα ως μπασίστας. Η διακριτική και βελούδινη χροιά του ήταν και αυτή που προώθησε και εν τέλει ώθησε το συγκρότημα σε διεθνή επιτυχία, ειδικότερα μετά τη συμμετοχή του στον δίσκο 666, ο οποίος έγινε κλασική επιτυχία.
Αξιοθαύμαστο είναι το γεγονός ότι ο Νταλί υπήρξε μεγάλος φαν του συγκεκριμένου γκρούπ. Του άρεσε το στιλ τους.Πήγαινε στα πάρτι που έκαναν κατά καιρούς και τους παρακολουθούσε. Χρησιμοποιούσε εκείνα τα βαριά ισπανογαλλικά του και τους χαρακτήριζε “Ερμαφροντίτ”. Μετά από τη διάλυση των Aphrodite's Child, άρχισε σόλο καριέρα και έκανε διάφορες σποραδικές ηχογραφήσεις, αρχίζοντας με το τραγούδι "We Shall Dance". Αρχικά χωρίς ιδιαίτερη ανταπόκριση, περιόδευσε στη νότια Ευρώπη όπου και έγινε κορυφαίος τραγουδιστής Από τη συνεργασία του με τον Βαγγέλη Παπαθανασίου, κυκλοφόρησαν το 1970 τον δίσκο «Sex Power», και το 1977 το «Magic».
Η επιτυχέστερη συνεργασία τους ήταν το «Race to the End», μια φωνητική προσαρμογή του μουσικού θέματος από το βραβευμένο με Oscar «Οι Δρόμοι της Φωτιάς», που κυκλοφόρησε και στα ισπανικά με τον τίτλο «Tu Libertad». Το 1982 ο Ρούσσος πήρε μέρος με έκτακτη συμμετοχή στο soundtrack της κινηματογραφικής ταινίας «Blade Runner». Τη δεκαετία του '70 η καριέρα του έφτασε στο απόγειο της. Το "Forever and Ever" ανέβηκε σε πολλά ευρωπαϊκά charts το 1973. Το 1974 κυκλοφορεί το "White Sails", μια αγγλική διασκευή του τραγουδιού "Άσπρα, Κόκκινα, Κίτρινα, Μπλε" από τον δίσκο "Συνοικισμός Α΄" του 1972, σηματοδοτώντας μια σύντομη περίοδο συνεργασίας του τραγουδιστή με τον συνθέτη Δήμο Μούτση, ο οποίος θα ακολουθήσει στη συνέχεια ένα μοναχικό μουσικό σταυροδρόμι με έντονες επιρροές από βετεράνους της rock και της folk, όπως ο Eric Clapton, η Joni Mitchell και ο Paul Simon.
Ακολούθησαν τα "My Friend the Wind", "My Reason", "Velvet Mornings", "Goodbye My Love, Goodbye", "Someday Somewhere" και "Lovely Lady of Arcadia". Το 1980 είχε επιτυχία με το "Lost in Love" των Air Supply που το τραγούδησε ντουέτο μαζί με την Florence Warner και με τον Dick Morrissey στο σαξόφωνο. Επανακυκλοφόρησε τα τραγούδια του σε διάφορες γλώσσες και είχε επιτυχία στις χώρες της Ευρώπης και της Λατινικής Αμερικής. Στην Αμερική το LP Demis έγινε χρυσός δίσκος. Το 1982 εξέδωσε το βιβλίο 'A Question of Weight' ("Είναι θέμα βάρους"), μαζί με την Veronique Skawinska, στο οποίο ασχολήθηκε με το θέμα της παχυσαρκίας καταφέρνοντας παραλλήλως να χάσει τα περιττά κιλά που τον ταλαιπωρούσαν. Μετά από μια περίοδο σιωπής και κλινικής κατάθλιψης,τη δεκαετία του '80, επανήλθε το 1993 με το Insight (γνωστό και ως Morning has Broken) και συνεργάστηκε με την ολλανδική εταιρεία BR Music για την παραγωγή των δίσκων Immortel, Serenade και In Holland, χρησιμοποιώντας ποικίλα εθνικά και ηλεκτρονικά στυλ. Κατά τη διάρκεια της πτήσης 847 της TWA, στις 14 Ιουνίου 1985, ο Ντέμης Ρούσσος, όντας επιβάτης, έπεσε θύμα αεροπειρατείας. Το αστείο αυτής της “τραγικά” κατα τα άλλα κατάστασης ήταν ότι οι αεροπειρατές γιόρτασαν ακόμη και τα γενέθλιά του όταν τον αντιλήφθηκαν ανάμεσα στους ομήρους.
Τον Σεπτέμβριο του 2013, παρασημοφορήθηκε από την Γαλλική Δημοκρατία με τον τίτλο του Ιππότη της Λεγεώνας, ύψιστη τιμή που αποδίδεται στο πρώτο τάγμα που όρισε ο ίδιος ο Ναπολέων Βοναπάρτης στις αρχές του 19ου αιώνα.