27 Şubat 1947'de Ankara'nın Ayaş ilçesinde doğdu. Öğretmen bir ailenin çocuğu olması sebebiyle ilk ve ortaöğrenimini Sivas'da, liseyi İstanbul'da okudu. Gezmiş, henüz lise öğrencisiyken sol düşünceyle tanıştı ve kendini dönemin eylemleri içinde buldu. 1965'de Türkiye İşçi Partisi (TİP)'nin Üsküdar ilçe başkanlığına üye oldu. 7 Kasım 1966'da İstanbul Üniversitesi Hukuk Fakültesine girdi.

30 Ocak 1968'de Devrimci Hukuklular Örgütünü kurdu. 7 Mart 1968'de İÜ Fen Fakültesi konferans salonunda düzenlenen AIESEC genel kurul toplantısında konuşma yapan Devlet Bakanı Seyfi Öztürk'ü protesto ettiği için tutuklandı. 2 Mayıs'a kadar tutuklu kalan Gezmiş, 30 Mayıs'ta 6. Filo'yu protesto ettiği için yargılandı ve beraat etti.

Milli Demokratik Devrim (MDD) görüşünü benimseyen Deniz Gezmiş, bu görüşün özellikle devrimci öğrenciler arasında yayılmasında etkili oldu. Ekim 1968'de eylemlerde birlikte olduğu Cihan Alptekin, Mustafa İlker Gürkan, Mustafa Lütfi Kıyıcı, Cevat Ercişli, M. Mehdi Beşpınar, Selahattin Okur, Saim Kurul ve Ömer Erim Süerkan'la birlikte Devrimci Öğrenci Birliği (DÖB)'ni kurdu. 1 Kasım 1968'de TMGT (Türkiye Milli Gençlik Teşkilatı) , AÜTB, ODTÜÖB ve DÖB'ün başlattığı Samsun'dan Ankara'ya Mustafa Kemal Yürüyüşü'nü düzenledi.

1969’da Filistin’e gitti, gerilla eğitimi gördü. THKO örgütünü kurdu. Örgütün ilk eylemi olan İşbankası Ankara Emek Şubesi soygununa katıldı. Yine Ankara’daki Balgat Amerikan Üssü’nden dört Amerikalının kaçırılması eylemine katıldı. Sivas Gemerek’te çatışmada yakalandı. Yusuf Aslan ve Hüseyin İnan ile birlikte 6 Mayıs 1972 tarihinde Ankara Merkez Kapalı Cezaevinde idam edildi.