Ο Δημήτρης Παπαμιχαήλ από τα εφηβικά του χρόνια είχε αποφασίσει ότι ήθελε να ασχοληθεί με το θέατρο. Οι γονείς του ήθελαν να σπουδάσει υφαντουργείαυφαντουργία καθώς είχε κερδίσει μια υποτροφία στην Αγγλία. Ωστόσο το 1952 έδωσε κρυφά εισαγωγικές εξετάσεις στο [[Εθνικό Θέατρο]] και τελικά πέρασε. Αυτή του η κίνηση όμως προκάλεσε την αντίδραση του πατέρα του, ο οποίος τελικά συμφώνησε. Αξιοθαύμαστο γεγονός αποτελεί ότι ο Παπαμιχαήλ, έφτανε στην [[Δραματική Σχολή του Εθνικού Θεάτρου]] με τα πόδια από τον Πειραιά. Στην Σχολή του Εθνικού, γνώρισε και την [[Αλίκη Βουγιουκλάκη]], μελλοντική σύζυγο και συνεργάτη του. Αποφοίτησε από το Εθνικό με βαθμό "Άριστα". Ο πρώτος του ρόλος ήταν στο [[«Γλάρο»]] του [[Άντον Τσέχωφ|Τσέχωφ]] και ακολούθησε ο ρόλος του Πολύδωρου στην Εκάβη του Ευριπίδη το 1955.<ref name=":1" /> Στη συνέχεια, συνεργάστηκε με το [[Θέατρο Τέχνης]]<ref name=":1" /> και από το [[1962]] συγκρότησε δικό του θίασο στο ελεύθερο θέατρο. Έπαιξε δίπλα στην [[Κυβέλη (ηθοποιός)|Κυβέλη]], την [[Κατίνα Παξινού]], την [[Άννα Συνοδινού]], την [[Αντιγόνη Βαλάκου]] και τον [[Αλέξης Μινωτής|Αλέξη Μινωτή]]. Τιμήθηκε με το Βραβείο Κοτοπούλη το [[1957]]. Επίσης συμμετείχε σε μεγάλες παραγωγές του ελληνικού κινηματογράφου, όπως το [[Ποτέ την Κυριακή]] ([[1960]]) και [[Τα κόκκινα φανάρια]] ([[1963]]) ενώ ταινία σταθμός στην σταδιοδρομία του ήταν η ταινία [[Παπαφλέσσας (ταινία)|Παπαφλέσσας]] ([[1971]]), που αποτελεί μια από τις μεγαλύτερες υπερπαραγωγές του ελληνικού κινηματογράφου, η οποία κόστισε 12.009.000 δραχμές.
Από το [[1964]] και για δέκα ολόκληρα χρόνια πρωταγωνίστησε στο θέατρο ως συνθιασάρχης με την [[Αλίκη Βουγιουκλάκη]], αλλά και σε δεκάδες ταινίες ως ζευγάρι, στον κινηματογράφο αλλά και στη ζωή.
