Сычёв Дмитрий Евгеньевич родился 26 октября 1983 года в Омске в семье легкоатлетки Елены Семеновны и футболиста Евгения Михайловича Сычёва, выступавшего в омских клубах.
Первые шаги в футболе Сычёв сделал в омской СДЮШОР №20 спортивного общества «Динамо». В составе юношеской команды 1983 года он был назначен капитаном.
Дебют Дмитрия Сычёва в профессиональном футболе состоялся 25 июня 2000 года, когда он вышел на поле в составе тамбовского «Спартака». Нападающему на тот момент было 16 лет.
В 2002 году Сычёв выступал за московский «Спартак», в составе которого он одержал победу в Кубке Содружества и стал лучшим бомбардиром турнира.
С 2003 по 2004 г. Сычёв являлся игроком марсельского «Олимпика» и выступал в высшем дивизионе чемпионата Франции. По итогам сезона клуб завоевал бронзовые медали французского первенства.
В период с 2004 по 2012 г. он играл за московский «Локомотив», в 2004 году Дмитрий Сычёв стал чемпионом России и был признан лучшим футболистом страны по версии игроков и журналистов.
В 2008 году на чемпионате Европы по футболу, который проходил в Австрии и Швейцарии, в составе сборной России завоевал бронзовые медали турнира.
С 2017 года выступает в составе фарм-клуба московского «Локомотива» — «Казанка» — во втором дивизионе чемпионата России (ПФЛ).
Дмитрий Сычёв увлекается и периодически играет в хоккей, болеет за омский «Авангард». Также его хобби являются серфинг и рыбалка.
