Dagmar blev født som den anden datter og fjerde barn af den senere Christian 9., og hans hustru, Louise af Hessen. Dagmar blev opkaldt efter sin fars moster Marie Sophie Frederikke af Hessen-Kassel (1767–1852), dronning af Danmark.
Hun blev født ind i et relativt meget fattigt, fyrsteligt sidehus, Slesvig-Holsten-Sønderborg-Glücksborg, en kadetlinie til det danske kongehus. I 1853 blev hendes far arving til den danske trone på grund af hendes mors ret til selvsamme.
På grund af hans børns alliancer med andre kongelige huse blev han kendt som "Europas svigerfar". Når Europas svigerfar samlede sine børn, svigerbørn og børnebørn foregik det i Fredensborg. Dagmar og Alexander kom også adskillige somre og holdt så meget af tiden i Fredensborg at de købte deres eget hus, lige op til slotsparken. Huset er i dag kendt som Kejserens Villa.
Dagmar var lillesøster til Alexandra, Edward VIIs dronning og mor til George V af Storbritannien, hvilket forklarer den store lighed mellem Nikolaj II og George V.
Dagmar voksede op i "Det Gule Palæ" tæt på Amalienborg, og efter at faderen blev dansk tronarving havde familien også adgang til Bernstorff Slot. Familien var tæt knyttet, og forældrene lagde vægt på at give børnene en simpel borgerlig opdragelse, der lagde stor vægt på de kongeliges pligter. Senere blev alle børnene kendt for deres evner til at omgås mennesker, deres pligtopfyldelse og evne til at representære.
Således voksede Dagmar op i et simpelt, men lykkeligt miljø, med familien som centrum, hvilket ikke altid var tilfældet for andre kongelige og fyrstelige familier.
Dagmar var tættest på sin ældste søster, Alexandra, og de to havde et tæt bånd til hinanden gennem hele livet.
Familiens sociale anseelse steg betydeligt efter at Christian blev tronarving, og i 1863 blev Alexandra gift med den fremtidige Edvard 7. af Storbritannien og broderen, Vilhelm blev gjort til græsk konge.
I 1864 blev Dagmar folovet med den russiske tronarving, storfyrst Nikolai Alexandrovich.
Den tiltagende støtte til den slavofile ideologi i Rusland fik hans far, Alexander 2. af Rusland til at lede efter en brud til Nikolai, i andre lande end de små tyske fyrstendømmer, hvori man normalt fandt en brud til den kommende kejser.
I 1864 tog Nikolai til Danmark, hvor han blev forlovet med Dagmar. Nikolai led af et svagt helbred og allerede den 24. april, 1865 døde han af tuberkulose i Nice i Frankrig. Hans sidste ønske var efter sigende, at Dagmar skulle gifte sig med hans yngre bror, den senere Alexander III.
Dagmar havde på daværende tidspunkt allerede begyndt sin undervisning i russisk, og sin overgang til den ortodokse kirke.
Efter sørgeåret var omme og efter en omfattende korrespondance mellem de to familier for at genoptage forbindelsen, ankom Alexander til Danmark i 1866, og kort efter fulgte forlovelsen.
Dagmar forlod København 22. september, 1866. H.C. Andersen var blandt dem, som flokkedes ved kajen for at tage afsked med hende.
Dagmar blev varmt modtaget i Kronstadt af Alexander 2. af Rusland og hele hans familie, og fik som gave en af kejserfamiliens boliger i Peterhof.
Dagmar og Alexander blev gift i Vinterpaladset i St. Petersborg d. 9. november 1866.
Ved indtrædelsen i den ortodokse kirke og ægteskabets indgåelse tildeltes hun navnet Maria Feodorovna (Rus.: ????? ?????????), men blev internt i familien kaldt "Minnie". Blandt hendes børn var Ruslands sidste monark, Nikolaj II, som hun overlevede med 10 år.
Dagmar var køn og et populært medlem af kejserfamilien. Hun blandede sig sjældent i politik, og helligede i stedet sin tid til familien, velgørenhed og sine sociale gøremål. Blandt hendes områder var russisk Røde Kors, og flere uddannelsesinstitutioner, heraf det kendte Smolnyjinstituttet for adels kvinder. Det eneste punkt hvor hun blandede sig politisk var ved hendes krigeriske indstilling overfor Tyskland på grund af dets anneksion af Hertugdømmerne i 1864, og hendes forsøg på at begunstige Danmarks stilling i Rusland, hvilket dog var begrænset i hendes tid som kronprinsesse.
Dagmar og Alexander fik tronfølgerens sædvanlige residens, det enorme Anichkov palads ved Skt. Petersborgs hovedstrøg, Nevski Prospekt.
De første år brugte Dagmar til at sætte sig ind i sit nye land, og parret tog blandt andet på en større rejse rundt i imperiet. Parret besøgte også jævnligt Danmark i perioden.
Den relativ rolige periode for Dagmar fik en brat ende i 1881 da hendes svigerfader blev myrdet ved et bombeattentat. Som det nye kejserpar blev sikkerheden omkring dem ekstra skærpet og de måtte forlade Anichkov paladset. I stedet flyttede de ud fra byen og bosatte sig på Gatchina paladset, der ydede større beskyttelse. Alexander og Dagmar fik en traditionel overdådig kroning i Kreml i Moskva, under skrappe sikkerhedsforanstaltninger, da der inden kroningen blev opdaget et komplot.
Parret blev skarpt bevogtet, men Dagmar tog ofte ind til St. Petersborg for at deltage og afholde baller, receptioner og andet der var en del af hendes rolle, og som hun havde nydt som storfyrstinde. Politisk var hendes mand yderst konservativ, hvilket Dagmar støttede ham i, og ellers forsøgte hun at opnå gunstige aftaler for Danmark og modarbejde Tyskland. Endvidere forsøgte hun at få Rusland nærmet England, der traditionelt ikke var allierede.
Som kejserpar kom Alexander og Dagmar ofte til Danmark hvilket altid var en stor begienhed, og parret nød at være i landet, da de kunne gå mere eller mindre rundt som det passede dem, og under langt mindre skrappe sikkerhedsforanstaltninger end de var vant til i Rusland.
Alexander døde den 2. november 1894 i Livadia på Krim. Han havde gennem længere tid været syg, og var kun 48 år da han døde.
Dagmar blev enkekejserinde i en forholdsvis ung alder, og dedikerede sin tid på sine sociale gøremål og sine børn.
I de første år støttede hun sin søn kejser Nikolai II, og han søgte ofte råd hos hans mor. Den første tid efter tronbestigelsen og hans ægteskab med Alexandra Feodorovna boede han hos hende på Anichkov paladset, hvor Dagmar atter boede når hun var i byen. Ifølge russisk skik var hun stadig landets førstedame, en position der skabte en del spændinget mellem hende og kejserinde Alexandra. De to damer kom aldrig ind på hinanden og deres forhold var genstand for en del sladder. Kejserinde Dagmar var mere populær end svigerdatteren, og nødt fortsat sin rolle som førstedame.
Dagmars politiske ståsted skiftede efterhånden som utilfredshed og revolutionære begivenheder steg i Rusland, og hun mente at noget af den enevældige politiske magt skulle overdrages til en regering, og at Rusland skulle orienterer sig mere mod vesten.
Nikolaj II fastholdt sin enevældige magt og med tiden forsvandt Dagmars rolle som poitisk rådgiver for sin søn, der støttede sig op af hans hustru.
Da den russiske revolution startede under 1. verdenskrig i 1917 befandt Dagmar sig i Kiev. Efter Kejser Nikolai abdicerede så hun ham en sidste gang, og efter noget overvejelse tog hun til Krim hvor kejserfamiliens medlemmer havde flere sommerboliger. Her belv hun vidne til Oktoberrevolutionen samme år, og senere kom nyheden om mordet på hendes søn og hans familie, hvilket hun dog ikke troede på.
Perioden på Krim var en usikker tid, præget af husundfersøgelser, mad-mangel, og den reelle trussel om at hun sammen med de andre slægninge der havde fundet vej til krim, ville blive myrdet af bolsjevikkerne.
Skønt monarkiet blev afskaffet ved revolutionen (1917), ville Dagmar i første omgang ikke forlade Rusland. Hun flygtede først i 1919 til London da George V af Storbritannien sendte krigsskibet HMS Marlborough for at hente sin moster, og da hun ikke lægere kunne forblive på Krim. Efter et kort ophold i London vendte hun hjem til sit fødeland Danmark og valgte sit tidligere feriested Hvidøre som sit nye hjem. Selv om Alexandra aldrig behandlede sin søster dårligt, og de tit holdt ferie i en fælles sommerbolig i Storbritannien, følte Dagmar sig altid som nummer to.
Dagmar tilbragte sine sidste leveår på Hvidøre Slot ved Klampenborg.
Dagmars senere år blev overskygget af mange dødsfald blandt hendes nærmeste familiemedlemer, også selvom hun nægtede at tro på massakren på sin søn, svigerdatter og børnebørn. Hun ville aldrig tillade afholdelse af mindegudstjenester i sit hjem.
Ved sin død i 1928 blev kejserinden stedt til hvile i en sarkofag i krypten under Christian IXs kapel i Roskilde Domkirke Efter en mindehøjtidlighed i København i den russisk-ortodokse Alexander Nevsky Kirke, hvis opførelse hun selv havde tilskyndet, blev hun overført til Roskilde Domkirke.
Efter flere års overvejelser og forhandlinger, enedes den danske og den russiske regering i 2005 om at genbegrave kejserinde Dagmar i Sankt Petersborg. Begivenheden indledtes med en ceremoni i Roskilde Domkirke den 23. september 2006. Kisten kørtes til Christiansborg i København i den samme rustvogn, som blev brugt ved Dronning Ingrids begravelse i 2000. Fra Christiansborg blev båren på hestetrukken rustvogn kørt gennem København via Amalienborg til Langeliniekajen, hvor den blev overført til orlogsskibet Esbern Snare under Det danske kongehus' deltagelse. Da kisten var om bord, gav Batteriet Sixtus på Nyholm salut på (3x21 skud) og Esbern Snare afsejlede mod Sankt Petersborg.
Ved passagen af finske Jussarö i Ekenäs skærgård kl. 12 den 25. september 2006 hædredes kejserinden i internationalt farvand med en salut fra det finske minefartøj Pohjanmaa.
Efter tre dages transport fra Roskilde ankom Dagmar tirsdag den 26. september til Sankt Petersborg – på 140 årsdagen for hendes første ankomst til Rusland som prinsesse Dagmar. Kisten blev bragt i land og placeret i Alexander Nevski-kapellet i parken til Peterhof. Den 28. september blev kejserinden efter en ceremoni i Isaac Katedralen gravlagt ved siden af sin mand zar Alexander 3. i Peter og Paul Katedralen i Sankt Petersborg, 78 år efter sin død og 87 år efter hun forlod Rusland.