Родился в селе Большой Мелик Балашовского района Балашовского округа Нижне-Волжского края в чувашской семье военного и домохозяйки. Окончил Всесоюзный государственный институт кинематографии (мастерская Сергея Юткевича и Михаила Ромма). С 1951 года — актёр Театра-студии киноактёра, с 1957 года — киностудии имени Горького.
Рос болезненным ребёнком, врачи рекомендовали переехать, сменить климат. Как раз отца Юры переводили служить на Дальний Восток, семья переехала вместе с ним. Новый климат спас Юру, он окреп и стал заниматься спортом. Недалеко от дома Юры был Дом пионеров, в котором был драмкружок. Там Юрик некоторое время занимался в этом кружке. Впрочем, увлечение спортом было столь сильно, что Юрий твёрдо решил поступать в физкультурный институт.
Он отправился с товарищами в Москву, поступать в физкультурный, но один из знакомых Юры поступал во ВГИК и позвал Юру с собой. Юра тоже решил попробовать и поступил с первого раза. Курс набирал Сергей Юткевич, первые два года он и вёл занятия, однако потом со студентами занимался Михаил Ромм. Актёрское мастерство преподавал Иосиф Рапопорт.
Снимался в кино с 1950 года, преимущественно в ролях второго плана и эпизодах. Он снимался в таких известных картинах, как «Планета бурь», «Гиперболоид инженера Гарина», «Дай лапу, Друг!», «Жестокий романс», «Верные друзья» и многих других. Иннокентий Степанов в фильме «Жизнь прошла мимо» — одна из лучших работ актёра в кино.
Много работал на дублировании фильмов. Его голосом говорил Остап Бендер — Арчил Гомиашвили.
Юрий Дмитриевич скончался на 77-м году жизни 24 августа 2005 года в Москве от инсульта. Похоронен актёр на Николо-Архангельском кладбище.