27 Şubat 1947 tarihinde başkent Ankara’nın Ayaş ilçesinde dünyaya geldi. Gezmiş ailesinin üç çocuğundan ikincisidir. Anne ve babasının devlet memuru olması nedeniyle, ilkokul eğitimini Sivas’ta tamamlayan Gezmiş, liseyi ise İstanbul’da bitirdi. Solcu düşünce akımı ile henüz lise dönemlerindeyken tanışan Deniz Gezmiş, o yıllarda çok sayıda siyasi eylemlere katılarak kendini ön plana çıkardı.
1965 yılında Türkiye İşçi Partisi’nin Üsküdar ilçe başkanlığına dahil oldu. 1966 senesinde kazandığı İstanbul Üniversitesi Hukuk Fakültesi’nden edindiği arkadaşlarıyla 30 Ocak 1968 tarihinde “Devrimci Hukukçular Örgütü” adında bir örgüt kurdu. İstanbul Üniversitesi Fen Fakültesi’nin konferans salonunda 7 Mart 1968 günü organize edilen bir genel kurul toplantısına katılım gösteren devlet bakanı Seyfi Öztürk’ün yaptığı konuşma sırasında protesto başlattığı için tutuklandı. 2 ay kadar süren tutukluluk sürecinin ardından serbest kaldı ancak serbest kaldıktan kısa bir süre sonra bu kez de 6. Filo’yu protesto etmek için düzenlenen eylemde yargılandı. “Milli Demokratik Devrim” ideolojisini savunan Deniz Gezmiş, bu ideolojinin devrimci diğer öğrenciler tarafından benimsenmesine de büyük katkı sağlamıştır.
Eylemlerde omuz omuza verdiği arkadaşları Cevat Ercişli, Cihan Alptekin, M. Mehdi Beşpınar, Ömer Erim Süerkan, Mustafa İlker Gürkan, Mustafa Lütfi Kıyıcı, Saim Kurul ve Selahattin Okur ile 1968 yılının Ekim ayında “Devrimci Öğrenci Birliği” adı altında yeni bir örgüt kurdu. 1 Kasım 1968 tarihinde çok ses getiren Samsun’dan Ankara’ya Mustafa Kemal Yürüyüşü’nü organize etti.
1969 yılında gittiği Filistin’de gerilla eğitimi aldı. Arkadaşları Hüseyin İnan ve Sinan Cemgil ile “Türkiye Halk Kurtuluş Ordusu” adında bir örgüt kurdu ve bu örgüt adı altında Türkiye İş Bankası’nın Ankara Emek Şubesi’ni soyma eylemi gerçekleştirdi. Örgütle birlikte gerçekleştirdiği bir diğer eylem ise Ankara Balgat’ta bulunan bir Amerikan Üssü’nden asker kaçırmak oldu. Sivas’ın Gemerek ilçesinde çıkan bir çatışmada yakalandı ve sevk edildiği mahkemece idama mahkum edildi. Arkadaşları Hüseyin İnan ve Yusuf Aslan da dahil olmak üzere 6 Mayıs 1972’de Ankara Merkez Kapalı Cezaevi’nde idamı gerçekleştirildi.