Aucun document n'existe permettant d'authentifier le lieu ainsi que la date de naissance de Buxtehude et même sa nationalité a fait l'objet de dispute. La seule information contemporaine provient d'une notice parue dans "Nova literia Maris Balthici" parue peu de temps après sa mort:

«Il reconnaissait le Danemark comme son pays natal, alors qu'il s'établissait dans notre région; il y vécut environ 70 ans.»

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 et sa présence à Oldesloe est documentée jusqu'en 1638 alors qu'il déménage à Helsingborg dans le district de Scania (maintenant Halsingborg, Suède) pour devenir organiste à l'église Marienkirche. Tant Holstein que Scania étaient, en ce temps-là, sous gouverne danoise. Peu après, en 1641 ou 1642, il déménage à Helsingor au Denmark pour devenir organiste à l'église Olaikirche, une position qu'il occupera jusqu'à sa retraite en 1671.

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. Lors du décès de Franz Tunder, le 5 novembre 1667, le poste d'organiste à l'église Marienkirche de Lubeck, l'un des postes les plus prestigieux du nord de l'Allemagne, devient vacant. Après que plusieurs autres organistes aient appliqué pour le poste et n'aient pas été retenus, Buxtehude est choisi le 11 avril 1668. Au même moment, il faut nommé Werkmeister, un poste comprenant les tâches de secrétaire, de trésorier et d'agent administratif de l'église; ce poste, comportant un salaire distinct, était normalement dévolu à l'organiste. 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. Il n'est pas certain que ce mariage est été une condition d'emploi comme ce sera le cas avec son successeur, mais cette coutume n'était pas inusitée en ces temps-là. La sœur aînée, Augusta Sophie, était déjà mariée au Kantor de l'église, Samuel Franck. Le père de Buxtehude le rejoignit à Lubek en 1673 alors que son frère, Peter, un barbier, suivit en 1677.

Les tâches principales de Buxtehude consistaient de jouer lors du service principal journalier, le service de l'après-midi le dimanche et les jours de fête ainsi que pour les Vêpres la veille après-midi. En plus des préludes habituels pour les chorals de la communauté et des chants du chœur, Buxtehude jouait durant la communion et ce, souvent avec la participation d'instrumentalistes ou chantres, ou les deux, lesquels étaient rémunérés par l'église. Une partie de sa renommée, toutefois, reposait sur une activité qui se situait hors de ses fonctions officielles à l'église: peu après son arrivée à Lubek, il reprit les séries de concerts données dans l'église, appelées "Abendmusik", dont Thunder donnait un jour de semaine mais que Buxtehude plaça à 4 pm immédiatement après le service de l'après-midi, sur cinq dimanches par année - les deux derniers de la Trinité ainsi que le deuxième, troisième et quatrième de l'Avent. Aucune composition qui aurait pu être exécutée lors de ces concerts n'a survécu quoique certaines de ses œuvres vocales auraient pu être utilisées.

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. Il était ami avec la famille Duben de Stockholm. C'est à la vaste collection de manuscrits de musique sacrée de Gustaf Duben que l'on doit la conservation de presque toute la musique vocale de Buxtehude. C'est aussi la source des œuvres de Kaspar Forster que Buxtehude semble avoir connu soit de façon personnelle ou par l'entremise de Duben. Son amitié, à Lubek, avec Johann Theile est attestée par un poème composé pour la Passion que Theile publia en 1673. Selon Mattheson, Theile a enseigné à Buxtehude mais il est plus probable que les deux musiciens se considéraient eux-mêmes comme collègues. Les poèmes de Buxtehude apparaissent aussi dans "Harmonologia musica" (1702) de Andreas Werckmeister. C'est aussi Werckmeister qui transmit plusieurs des compositions pour orgue de Buxtehude à J.G. Walther et dont les copies sont toujours existantes.

Parmi la jeune génération d'organistes, Nicolaus Bruhns a été son élève, et Pachelbel lui a dédié son "Hexachordum Apollonis" (1699). Mattheson et Handel le visitèrent, à Lubek, le 17 août 1703. Mattheson, considéré comme étant son successeur éventuel, déclina l'offre lorsqu'il prit connaissance de la condition de mariage qui y était rattachée. 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. Un successeur, consentant à la condition de mariage, J.C. Schieferdecker, agissant déjà comme son assistant, fut nommé organiste et Werkmeister le 23 juin et il maria Anna Margareta Buxtehude, le 21 août 1707.