Ο Δημήτρης Τουμπανάκης αποφοίτησε από την Ιατρική Σχολή του Εθνικού και Καποδιστριακού Πανεπιστημίου Αθηνών το 2006. Από το 2007 έως και το 2011 εκπόνησε την διδακτορική του διατριβή στην Α’ Κλινική Εντατικής Θεραπείας του Ε.Κ.Π.Α., στο Νοσοκομείο «Ευαγγελισμός» υπό την επίβλεψη του Καθηγητή Θεόδωρου Βασιλακόπουλου. Στην διδακτορική του διατριβή ανέπτυξε ένα πειραματικό μοντέλο οξείας πνευμονικής βλάβης από εργώδη αναπνοή, με εφαρμογές στην Εντατική Θεραπεία και στις παροξύνσεις των αποφρακτικών νοσημάτων του αναπνευστικού. Η δημοσίευση πραγματοποιήθηκε στο φημισμένο διεθνές περιοδικό American Journal of Respiratory and Critical Care Medicine.

Aκολούθως, ειδικεύθηκε στην Πνευμονολογία στην Α’ Κλινική Εντατικής Θεραπείας του Ε.Κ.Π.Α (2011-2016). Από τον Ιούλιο του 2016 έως και τον Φεβρουάριο του 2018 εργάστηκε ως μεταδιδακτορικός συνεργάτης της Α’ Κλινικής Εντατικής Θεραπείας, στο Κέντρο Εφαρμοσμένης Βιοϊατρικής Εκπαίδευσης και Έρευνας “Μαριάνθη Σίμου”, όπου ανέπτυξε περαιτέρω τα ευρήματα της διδακτορικής του διατριβής. Απέκτησε τον τίτλο εξειδίκευσης στην Εντατική Θεραπεία από το νοσοκομείο «Γ. Γεννηματάς» (2018-2020). Από τον Απρίλιο του  2020, κατά την περίοδο της πανδημίας του COVID-19, εργάστηκε ως επιμελητής Πνευμονολογίας και Εντατικής Θεραπείας στο Νοσοκομείο «Σωτηρία», τόσο στην ΜΕΘ της Α’ Πανεπιστημιακής Πνευμονολογικής Κλινικής, όσο και στην 4η Πνευμονολογική Κλινική του Εθνικού Συστήματος Υγείας.

Έχει πραγματοποιήσει μεταδιδακτορική βασική έρευνα στο Keenan Research Centre του Πανεπιστημίου του Τορόντο την περίοδο 06-11/2015 με υποτροφία της Ευρωπαϊκής Πνευμονολογικής Εταιρείας και αντικείμενο την εφαρμογή των μεσεγχυματικών κυττάρων στο σύνδρομο οξείας αναπνευστικής δυσχέρειας των ενηλίκων υπό τον καθηγητή Haibo Zhang. Επίσης, έχει πραγματοποιήσει κλινική έρευνα στο National Heart and Lung Institute του Imperial College του Λονδίνου την περίοδο 06/2022-05/2023, με υποστήριξη της Ευρωπαϊκής Πνευμονολογικής Εταιρείας, στον τομέα της φυσιολογίας του αναπνευστικού με επίκεντρο τους μικρούς αεραγωγούς, υπό τον Καθηγητή Omar Usmani.

Τον Οκτώβριο του 2023 ορκίστηκε Επίκουρος Καθηγητής Εντατικής Θεραπείας – Πνευμονολογίας της Ιατρικής Σχολής του Εθνικού και Καποδιστριακού Πανεπιστημίου Αθηνών και τοποθετήθηκε στην Β’ Κλινική Εντατικής Θεραπείας του ΠΓΝ «Αττικόν». Τα ερευνητικά του ενδιαφέροντα είναι ο μηχανικός αερισμός και η οξεία πνευμονική βλάβη, η φυσιολογία της αναπνοής και οι αποφρακτικές παθήσεις του αναπνευστικού, συνδυάζοντας τεχνικές βασικής έρευνας με την κλινική έρευνα. Τον Δεκέμβριο του 2024 έλαβε το «Βραβείο Ελισάβετ Φ. Φωτεινέλλη – Ιωάννου Δ. Κριτικού» της Α’ Τάξης των Θετικών Επιστημών της Ακαδημίας Αθηνών για το έτος 2024, για τις ερευνητικές εργασίες του και το εν γένει έργο του στον τομέα της Πνευμονολογίας και Εντατικής Θεραπείας.