Димитър Ненов започва да учи пиано на 6 годишна възраст под ръководството на майка си и въпреки че заниманията му са нередовни, напредва бързо. От 1919 г. е частен ученик по пиано на Андрей Стоянов.

През 1920 г. заминава за Дрезден, където постъпва като студент по архитектура във Висшето техническо училище. В продължение на няколко години изучава архитектура. Занимава се и с философия, литература, история на изкуството, математика и физика. Същевременно учи пиано при Карл Фелинг (Karl Fehling) и теория и композиция в консерваторията в Дрездан при Теодор Блумер (Theodor Blumer) и П. Битнер (Paul Bitner). Музикален ръководител на балета "Теа Джолис (Thea-Jolles-Ballett)" (1925 - 1927). След като завършва архитектура през 1927 г., се завръща в България и работи известно време като архитект в Министерство на обществените сгради, пътищата и благоустройството (1927 - 1929) е в Главна дирекция на железниците (1929 - 1932). Специализира архитектура на железопътни сгради (гари) в Италия (1932). Ръководи възстановителните работи в Борисовград, днешния Първомай след Чирпанското земетресение 1928 г. Строи няколко ж.п. гари, ж.п. лаборатория, противотуберкулозен диспансер в Хасково.

Той пише първите си по-значителни произведения в Дрезден. Това са Соната за пиано, Соната за цигулка и пиано, Симфония 1.

Посвещава се изцяло на музиката в началото на 30-те години. Специализира пиано в Закопане, Полша при Е. Петри и завършва окончателно музикалното си образование в Болоня, Италия през 1932 г. Връща се в България и написва пиеси за пиано, първи концерт за пиано и оркестър. Ненов е един от най-изтъкнатите български пианисти. Концертира с успех в България и чужбина. Участва в трио с цигуларя Христо Обрешков и виолончелиста Константин Попов. Изпълнява богат репертоар, като свири с артистичен финес и емоционалност.

В първата половина на 30-те години ръководи частна консерватория в София. Преподавател е по пионо (1933 - 1935, 1937 - 1943) и професор в Държавната музикална академия в София. Ненов е пръв музикален уредник на Радио "София" (1935 - 1937) и създател на фонотеката на радиото. Съосновател и секретар на дружеството на българските композитори "Съвременна музика", създадено 1933 г. Занимава се активно с музикална публицистика.

След 9 септември 1944 г. Ненов е в дълбока депресия и два пъти посещава Германия за лечение. Проблемите със здравето му се увеличават; поради тежка мигрена и бъбречни болки приема силни болкоуспокояващи. Измъчва го мълвата за неговия хомосексуализъм и "морфинизъм". През последните си години живее на ул. "Бистрица" 7А в София, в апартамент на родителите на композитора Георги Арнаудов. Вероятно Ненов е страдал от шизофрения и се самоубива като се хвърля от балкона на психиатричната болница в София.

Удостоен с Димитровска награда (1952).