Seneliai: Petras Butėnas (1841–1904) ir Karolina Budreikaitė-Butėnienė (1859–1939), Dominykas Kazlauskas (1863–1935) ir Grasilda Gliaudelytė-Kazlauskienė (1871–1936). Tėvai: Petras Butėnas (1894–1941) iš Vosgėlių ir Julija Kazlauskaitė-Butėnienė-Bernotienė (1900–1964) iš Šienraisčio – emigrantai JAV, vėliau ūkininkai žemdirbiai. Tėvas dalyvavo Pirmojo pasaulinio karo mūšiuose Prancūzijoje kaip JAV kareivis. Broliai: Juozapas Butėnas (1924–1925) – mirė kūdikystėje, Albertas Butėnas (1932–1939) – mirė vaikystėje. Giminaičiai: (motinos pusbrolis) Jonas Gliaudelis (1912–1978) – veterinarijos gydytojas, emigrantas JAV, mecenatas, antrosios eilės pusbrolis (motinos pusbrolio sūnus) Rolandas Kazlauskas (g. 1941 m.) – mokslininkas chemikas.

1932 m. šeimai grįžus į Lietuvą, nuo 1933 m. augo Gečionių kaime (Anykščių r.).

1934–1937 m. mokėsi Rudžionių (Anykščių r.) pradžios mokykloje, 1937–1942 m. baigė Anykščių progimnaziją. 1942–1944 m. mokėsi Ukmergės mokytojų seminarijoje, įgijo pradinės mokyklos mokytojo specialybę.

1944–1946 m. D. Butėnas buvo Rudžionių pradinės mokyklos mokytojas.

1946–1947 m. jis studijavo Vilniaus universiteto Gamtos mokslų fakultete, 1947–1952 m. tęsė studijas Istorijos-filologijos fakultete, įgijo istoriko išsilavinimą.

1952–1953 m. D. Butėnas gyveno ir dirbo Klaipėdoje, buvo "Žinijos" draugijos referentas.

Nuo 1953 m. jis gyvena Vilniuje. 1953–1957 m. jis tęsė studijas Vilniaus universiteto aspirantūroje, ruošė disertaciją "Dvarų šeimynos Lietuvoje XVI–XVII a.", jo moksliniam darbui vadovavo profesoriai Ignas Jonynas ir Juozas Jurginis. Dėl pablogėjusios sveikatos mokslinio darbo tuo metu nebaigė ir disertacijos neapsigynė.

1957–1999 m. D. Butėnas dirbo Lietuvos centriniame valstybiniame istorijos archyve, buvo pirmasis ir kiek laiko vienintelis lietuvis mokslininkas istorikas šioje įstaigoje.

1957–1959 m. D. Butėnas buvo šio archyvo mokslinis bendradarbis, 1959–1961 m. – Dokumentų naudojimo skyriaus vedėjas. 1961–1987 m. jis buvo Lietuvos centrinio valstybinio istorijos archyvo direktorius, 1987–1999 m. – mokslo darbuotojas.

1967–1983 m. jis organizavo Lietuvos Metrikos mikrofilmų kopijų gaminimą ir atgabenimą iš Maskvos į Vilnių. Jis saugojo ir gausino Lietuvos istorijai svarbius archyvinius dokumentus, kuriuos sovietinė valdžia buvo pripažinusi menkaverčiais, taip išsaugojo Lietuvos bažnyčių metrikų knygas.

1976 m. D. Butėnas Vilniaus universitete apsigynė disertaciją "Dvarų šeimynos Lietuvoje XVI–XVII amžiuje", buvo istorijos mokslų kandidatas, nuo 1993 m. nostrifikuotas humanitarinių mokslų, istorijos daktaras.

1971–1991 m. jis taip pat dirbo Vilniaus universiteto Istorijos fakulteto dėstytoju, dėstė Lietuvos Didžiosios kunigaikštystės ir XIX–XX a. Rusijos valstybinių įstaigų istoriją.

D. Butėnas parengė ir paskelbė spaudoje bei rinkiniuose per 150 mokslinių ir mokslo populiarinimo straipsnių Lietuvos istorijos ir kultūros istorijos klausimais. Jis sudarė ir išleido katalogą "Sapiegų giminės dokumentai" (1995 m.), parašė ir išleido knygą "Lietuvos Didžiosios kunigaikštystės valstybinių ir visuomeninių institucijų istorijos bruožai XIII–XVIII a." (1997 m.).

Jis taip pat sudarė ir išleido "Lietuvos centrinio valstybinio istorijos archyvo fondų žinyną" (su kitais autoriais, 1990 m.), dokumentų rinkinį "Academia et Universitas Vilnensis. Vilniaus universiteto steigimo dokumentai" (2004 m.).

Laisvalaikiu domėjosi kraštotyra, bitininkyste.

Buvo vedęs, žmona Eugenija Gintautaitė-Butėnienė (1927–1997) – istorikė. Liko našlys. Sūnūs: Eugenijus Butėnas (g. 1960 m.) – istorikas archeologas ir Petras Butėnas – gydytojas ortopedas.

Mirė 2011 m. kovo 6 d. Vilniuje. Palaidotas Andrioniškio (Anykščių r.) kapinėse šeimos kape. Jo ir žmonos kapą ženklina dviejų juodo šlifuoto akmens stelų kompozicija su dekoratyvine metaline saulute centre. Dešiniojoje steloje iškaltas įrašas: "Domas / Butėnas / 1926–2011", postamente: "...ir amžinoji šviesa jiems tešviečia...".