Димитър Гюдженов е син на художника Атанас Гюдженов. През 1915 г. завършва живопис в класа на проф. Цено Тодоров в Художественото индустриално училище (днес Национална художествена академия) в София, като междувременно учи два семестъра и в парижкото Национално училище за изящни изкуства (1913 - 14).

Започва да рисува като военен художник в щаба на Осма пехотна тунджанска дивизия, от този период са картините му "Обоз на път", "През Морава", "Вълчи ями", които днес се съхраняват във Военно-историческия музей.

Между 1920 г. и 1933 г. Димитър Гюдженов преподава в Академия, където е професор. Сред неговите ученици са Стоян Венев, Петко Задгорски и Страхил Титиринов. През 1925 г. рисува първите си картини на историческа тематика, която заема основният жанр в цялото му творчество. Други жанрове, в които Гюдженов твори, са битовата живопис, пейзажът и портретът.

От 1933 до 1945 г. работи като художник към щаба на българската армия, което го вдъхновява за цяла поредица от платна с военни и исторически сюжети и личности. След 1944 г. социалните теми също биват добре застъпени в платната му. През 1959 г. на Димитър Гюдженов и проф. Никола Кожухаров е поверено изписването на старозагорската църква "Свети Димитър". През 1961 двамата изографисват и варненския православен храм "Свети Николай". Гюдженов рисува стенописи на църкви и в Бургас, Пловдив, Чирпан.

Член и съосновател е на Дружеството на южнобългарските художници (1911), както и на Дружеството "Съвременно изкуство". От 1931 до 1941 г. е председател на Дружеството на художниците в България, което по-късно влиза в състава на Съюза на българските художници. Участва в общи изложби на тези дружества в България, както и в чужбина (Берлин, Виена, Ню Йорк, Прага).

За творчеството си Гюдженов е носител на много отличия, сред които: Димитровска награда през 1951 г., сребърен Народен орден на труда през 1966 г. и два пъти орден "Кирил и Методий" - I степен през 1963 и 1972 г.