Quoique sa famille était originaire de la ville de Buxtehude, au sud-ouest de Hambourg, ses ancêtres se sont établis, dès le début du 16è siècle, à Oldesloe dans le duché de Holstein. Son père, Johannes (1602-1674), était un organiste et maître d'école .

Dietrich Buxtehude a probablement étudié au Lateinschule de Helsingor et a reçu, de son père, son éducation musicale. En 1657 ou 1658, il devient organiste à l'ancienne église de son père à Helsingborg et, en 1660, il retourne à Helsingor comme organiste à l'église Marienkirche, une communauté de langue allemande.

Buxtehude devient citoyen de Lubek le 23 juillet 1668 et, quelques jours plus tard, le 3 août 1668, il mariait Anna Margarethe Tunder, la fille de son prédécesseur.

Buxtehude a rempli fidèlement ses tâches à l'église Marienkirche pendant près de 40 ans. La seule référence quant à ses voyages est une visite à Hambourg, en 1687, pour y examiner un orgue de Schnitger récemment installé dans l'église Nikolaikirche. Il était en contact, d'une façon ou d'une autre, avec les autres principaux musiciens allemands de son temps.

La documentation concernant le fameux voyage de Bach à Lubek repose sur le compte-rendu de consistoire d'Arnstadt du 21 février 1706 où il est dit "qu'il s'est rendu à Lubek pour y apprendre des choses concernant son art" et qu'il ait demandé une permission d'absence d'une durée de quatre semaines mais il y est resté à peu près quatre fois plus longtemps.

Il était probablement présent lors des extraordinaires Abendmusik des 2 et 3 décembre 1705 commémorant la mort de l'empereur Leopold I et l'accession de Joseph I. Il est clair, à partir de la notice nécrologique de Bach, que le but de sa visite était d'entendre Buxtehude à l'orgue.

Buxtehude a été mis en terre, le 16 mai 1707, dans l'église Marienkirche aux côtés de son père et de ses quatre filles qui l'avaient précédé.