Противоречивый по характеру и несчастливый судьбой, Демьян Многогрешный был родом из крестьянской семьи. Точных данных о дате его рождения нет, но известно, что уже в годы Освободительной войны украинского народа под руководством Богдана Хмельницкого он заявил о себе, как смелый и непримиримый к врагам воин. За мужество и отвагу Многогрешный был избран есаулом. Именно под этим чином он записан в казацком реестре 1649 года. На его долю выпали все тяготы войны: Многогрешный занимался организацией казацких отрядов, обеспечением их оружием и боеприпасами, обучением молодых казаков военному делу, руководил казацкими отрядами во многих битвах. Кроме того, Демьян Многогрешный исполнял различные поручения Богдана Хмельницкого и его ближайших соратников. В 1650 году он вместе с Данилом Нечаем смог, по поручению гетьмана, убедить польского короля Яна Казимира подтвердить грамотой условия Зборовского договора 1649 года между Украиной и Польшей.

После этих событий на некоторое время имя Многогрешного сошло со страниц казацких летописей. Некоторое время он возглавлял Чигиринский полк, а при гетьмане Иване Брюховецком – Черниговский. Многогрешный занял сторону Брюховецкого, когда тот поднял казацкие полки на борьбу против засилия царских воевод на Украине. Однако, когда гетьман начал посягать на права и привилегии мещан, добиваясь отмены их прав на самоуправление и вольностей Войска Запорожского, Многогрешный стал его непримиримым противником. Он с радостью воспринял сообщение о лишении Брюховецкого гетьманской булавы, а после его гибели перешёл на сторону Петра Дорошенко. Боевой побратим Многогрешного проявил к нему большое доверие и назначил наказным гетьманом Левобережной Украины. При этом Дорошенко надеялся, что Демьян завершит освобождение всей Украины и организует защиту украинских земель от российских воевод.Однако после того, как российский воевода Григорий Ромадановский начал наступление на Украину, Многогрешный, не имея достаточно сил для её защиты, вынужден был принять присягу на верность русскому царю. При этом были обсуждены детали возобновления российских гарнизонов в украинских городах.

Оставаясь верным присяге, Многогрешный всё же принадлежал к той группе казацкой старшины, которая отстаивала широкую автономию Украины в составе российского государства. Такой же позиции придерживалась и часть церковной иерархии Украины. Её объединил вокруг себя черниговский архиерей Лазарь Баранович, заинтересованный в номинальной зависимости не от московского, а от константинопольского патриарха. Настроенные на автономию представители старшины и духовенства направили в Москву письмо, в котором изложили свою позицию. Однако царское правительство в ноябре 1668 года передало Д. Многогрешному и Л. Барановичу утешительные грамоты, которыми «прощало» украинскому народу его «грехи» перед Москвой. Никаких конкретных обещаний относительно возвращения Украине бывших прав и привилегий царь не давал.

И всё же текущие обстоятельства, как внешние, так и внутренние, неуклонно толкали Многогрешного на союз с Россией. Для борьбы против татар, наступавших на Левобережную Украину, он создал объединённые казацко-российские полки. Значительная часть мещан, крестьян и белого духовенства всё ещё наивно верила в «доброго» царя, который защитит эксплуатации знати. Поэтому в январе 1669 года гетман снова направил к царю посольство с просьбой принять Левобережную Украину под российскую «руку». Кроме того, посольство от имени гетьмана просило подтвердить права и вольности Войска Запорожского, одобренные Переяславской Радой. Но в результате никаких гарантий не получило. Более того, царское правительство решило запугать его тем, что будет карать всех, кто проявляет «междоусобицы и шаткости».

Положение гетьмана, и без того сложное, ещё более усугубилось. Казаки и старшина, не отдавшие в свое время голоса за гетьманство Многогрешного, начали бунтовать, и это привело к новым кровопролитиям.

В марте 1669 года в Глухове состоялась казацкая рада при участии царского воеводы Григория Ромадановского. На ней воевода вновь поднял вопрос выведения из украинских городов российских гарнизонов, которые ограничивали права и вольности украинского народа. В ответ на это царское правительство пошло на некоторые уступки, отказавшись от введения собственной налоговой и административной системы, не меняя самоуправления на местах. Всё же численность реестровых казаков московская власть сократила до 30 тысяч, и ещё им было запрещено избирать гетьмана без согласования с царём. Между старшиной и царским правительством были подписаны договорные статьи, после чего рада подтвердила гетьманство Демьяна Многогрешного, который присягнул «служить великому царю верой и правдой».

Ограничивая автономию Украины, Глуховские статьи одновременно укрепляли позиции левобережного гетьмана как ставленника России. И когда гетьман Правобережной Украины Пётр Дорошенко призвал Демьяна Многогрешного вместе выступить против московской экспансии, тот не только отказался, но и сам стал вести борьбу против своего недавнего соратника с помощью российских войск. В августе 1669 года они выступили против Лубенского, Миргородского и Полтавского полков, перешедших на сторону Петра Дорошенко, и нанесли им сокрушительные удары. Множество казаков было взято в плен.

Местные жители, уставшие от бесконечных военных действий, хлебом-солью встречали гетмана Демьяна Многогрешного. К концу 1669 года почти вся Левобережная Украина была под его властью.

Потерпев поражение, Пётр Дорошенко в начале 1670 года в своём письме к Многогрешному заявил о желании жить с левобережным гетьманом в мире и согласии. Признали его власть и запорожские казаки, хотя действия гетьмана, направленные на изоляцию Запорожья от Левобережной Украины, вызывали недовольство большей части казаков. В частности, гетьманские заставы не пропускали на Запорожье жителей Левобережья. Значительные конфликты возникали и в связи с конфискацией гетьманом имущества сторонников Ивана Брюховецкого и назначением на старшинские должности только своих людей.

17 апреля 1670 года Многогрешный заявил на собрании всех левобережных полковников, что он будет вести борьбу с произволом, в чём присягал великому царю. Однако непредсказуемость действий самого гетьмана настораживали Москву. Так, он настаивал на возвращении из сибирской ссылки украинских патриотов, особое недовольство царя вызывали негативные высказывания Многогрешного относительно передачи части украинских земель польским магнатам.

Демьян Многогрешный со свойственной ему прямотой потребовал от царя чётко определить границы Украины с Польшей и заявил о том, что город Гомель должен быть украинским. Когда же царь отказался удовлетворить эти требования, Многогрешный взял город под свой контроль.

Сближение московского правительства с Польшей снова объединило бывших соратников Многогрешного и Дорошенко для борьбы против польско-шляхетского произвола. Когда королевские войска напали на околицы Киева, объединённые силы казаков защитили город. После этого Многогрешный сообщил Малороссийскому приказу о своём примирении с Дорошенко.

Но в ночь с 7 на 8 марта 1672 года состоялась тайная встреча части казацкой старшины и царских чиновников, где гетьмана обвинили в преступных действиях против России и постановили арестовать его. Через несколько дней стрельцы батуринского гарнизона ночью ворвались в дом Многогрешного, ранили его, а затем заковали в цепи и 28 марта доставили в Москву.

14 апреля начались допросы. В основу обвинений были положены доносы противников Многогрешного, содержавшие все его антироссийские высказывания. Суд вынес решение отрубить изменнику голову, но в последний момент казнь была заменена пожизненной каторгой в Сибири. Ближайших сторонников гетьмана отправили в Тобольск, а его самого с женой Анастасией, сыновьями Петром и Иваном, дочерью Еленой и племянником Михаилом Зиновьевым сослали в Селенгинск.

После ссылки Демьян Многогрешный некоторое время состоял на царской службе в Иркутске, в 1701 году постригся в монахи и в 1703 году умер. По воспоминаниям декабриста Михаила Бестужева, похоронен гетьман Демьян Многогрешный в Спасском соборе в Селенгинске.