Денис Матросов родился в Москве 10 декабря 1972 года, где пошёл и окончил школу с углублённым изучением английского № 34. В возрасте семнадцати лет Матросов выступил на телевидении как ведущий популярной в то время программы «В гостях у сказки» и в это же время был принят в Школу-студию МХАТ на актёрский факультет, которую успешно закончил в 1991 году.
Дебютом в кино для Дениса стала роль-эпизод фотографа Лёхи в психологическом детективе Тараховского и Шамшурина «Сделано в СССР», вышедшего на экраны в 1990 году и главные роли в котором сыграли Джигарханян и Куравлёв.
После окончания МХАТа в 1991 году Матросов поступает на курс Верещенко в театральное училище имени Щепкина, который оканчивает в 1994 году такими дипломными работами, как роли Аттилио в постановке «Суббота, воскресенье, понедельник», Дона Педро в постановке «Дон Хиль зеленые штаны и роль Предателя в спектакле «Страх и нищета третьей империи».
Во время учебы Денис пробует себя, как актёр дубляжа мультипликационных и художественных фильмов. Тигра в мультике «Винни-пух» и чёрная утка в одноименном мультфильме говорят голосом Дениса. Также его голосом озвучены все персонажи такой компьютерной игры, как «Рыбка Фредди», а также большое количество других компьютерных игр.
Практически десять лет после первой своей эпизодической роли Денис не снимался в кино, и только в 1997 году он играет роль Мити в теленовелле режиссера Антропова «Любовь на плоту», которая поставлена по известному рассказу Максима Горького «На плотах». И уже с 2001 года Матросов регулярно снимается во многих сериалах и фильмах, сначала довольно небольших, таких как роль карточного шулера в мелодраме Файзиева «Остановка по требованию – 2», роль крупье в криминальной ленте Г.Шенгеоия «Мусорщик» и нескольких других лентах.
Далее следуют более существенные роли, такие как в сериале Краснопольского и Ускова «Две судьбы» - роль Вадима, в детективном сериале Виткина «Люди и тени-2. Оптический обман» в роли директора завода Литовцева, в психологическом сериале уже знаменитых мастеров психологического жанра Краснопольского и Ускова «Подари мне жизнь – роль Кости, в котором рассказывается о сложных взаимоотношениях между тремя достаточно молодыми людьми, которые сталкиваются с проблемами людей взрослого поколения.
Популярность и любовь зрителей завоевывает сыгранная роль Антона Астахова в популярном сериале Рожко и Цыплаковой «Кармелита», вышедшем на экран в 2005 году, и в продолжение ленты «Кармелита. Цыганская страсть», который вышел на экран в 2009 году. В этих лентах Денисом сыгран настолько притягательный образ, что зрителям даже более интересно было наблюдать за судьбой его героя, чем за превратностями судьбы главной героини.
Так же в 2005 году Матросов снимается в комедийном сериале Коновалова и Бабенко «Любовь моя», где сыграл роль Вадима Строева, а также в криминальном сериале Панченко «Новый русский романс», в котором играет роль мужа Алёны, Сергея Недельского.
В 2006 году – роль Виктора в мелодраме Штернберга «А вы ему кто?» и главная роль Фёдора Точильцева в детективе Щербаковых «Сыщики-5».
В 2007 году Матросов сыграл роль Константина в мелодраме Бабенко «Белка в колесе». В этой же ленте в главной роли снялась Мария Куликова, жена Дениса с которой он познакомился на съёмках сериала «Две судьбы». Любовь пришла к молодым актёрам очень сильная и настоящая, так что разлука была невыносимой, поэтому ещё до окончания съёмок Мария переехала жить к Денису, а позже узаконили свои отношения, причём в ЗАГС ходили три раза – то было закрыто, то документы в этот день не принимали. А потом в одно прекрасное утро пришли и, сославшись на гастрольный график, упросили их расписать. Свадьбу отмечали очень скромно в маленьком ресторанчики только с близкими, но очень тепло и весело все прошло.
В 2008 году Матросов снялся в трех лентах: роль Дмитрия Колесникова в мелодраме Фрунтова «Наваждение», роль хирурга Вячеслава в мелодраме Алешечкина «От тюрьмы и от сумы», и эпизодическая роль в комедии Виноградского «Ухня».
В 2010 году вышел на экраны мелодраматический сериал Фархшатовой «Метель», в котором рассказывается о превратностях в судьбе Вари, и в котором Матросов сыграл роль Павла, нового возлюбленного главной героини. В этом же году Денис снимается в мелодраме «Кукушка» Сергея Алешечкина.
Работа в труппе Театра Российской Армии началась в 1994 году после окончания учёбы и продолжалась восемь лет. С 2002 года Матросов работает в филиале театра имени Маяковского, а уже с середины февраля 2003 года Денис принимает активное участие в реализации проекта популярного немецкого дирижера Альбрехта, который представляет собой концертный вариант оперы «Евгений Онегин» с музыкой Прокофьева.
На телевидении у Матросова также много работы. После «В гостях у сказки» Денис в 1992 году выступает в качестве ведущего популярной программы на канале РТР «Шесть соток», в 1995 году – ведущий теле-фестиваля «ТелеГраф» на канале НТВ и другие обозревательские программы на различных каналах.