Денис Власенко родился в Москве в семье музыкантов. Окончил Московское хоровое училище имени А. В. Свешникова и Академию хорового искусства имени В. С. Попова. Оперно-симфоническому дирижированию обучался в Московской государственной консерватории имени П. И. Чайковского и Санкт-Петербургской государственной консерватории имени Н. А. Римского-Корсакова у профессоров Владимира Понькина и Александра Титова. В 2010 году по конкурсу был принят на должность дирижера в Государственный симфонический оркестр «Новая Россия» под управлением Юрия Башмета.
С января 2022 года – художественный руководитель и главный дирижер Государственного академического Большого театра оперы и балета имени Алишера Навои в Ташкенте (Узбекистан). С марта 2023 года – художественный руководитель и главный дирижер Академического симфонического оркестра Самарской государственной филармонии.
Выступал со многими известными солистами, в числе которых Анна Нетребко, Юрий Башмет, Вадим Репин, Аида Гарифуллина, Денис Мацуев, Александр Рудин, Мария Гулегина, Ильдар Абдразаков, Николай Луганский, Хибла Герзмава, Сергей Крылов, Люка Дебарг.
Сотрудничал с симфоническими оркестрами Московской и Санкт-Петербургской филармоний, Национальным филармоническим оркестром России (также был участником дирижерско-стажерской группы НФОР), Госоркестром России имени Е. Ф. Светланова, Российским национальным оркестром, Государственным академическим симфоническим оркестром Республики Татарстан, Латвийским национальным симфоническим оркестром, Брюссельским и Токийским филармоническими, Мюнстерским симфоническим, оркестрами театров Комунале в Болонье и Карло Феличе в Генуе.
Дирижировал в Большом театре России, Московском театре «Новая опера» имени Е. В. Колобова, петербургском Михайловском театре, Красноярском государственном театре оперы и балета имени Д. В. Хворостовского, Латвийской национальной опере, Азербайджанском государственном академическом театре оперы и балета, Королевском театре в Мадриде, Большом театре Лисео в Барселоне, театрах Карло Феличе в Генуе, Петруццелли в Бари, Кальдерон в Вальядолиде, Дворце изящных искусств в Мехико, концертном зале Бунка Кайкан в Токио. Выступал на оперном фестивале Россини в Пезаро.
В оперном репертуаре дирижера – «Путешествие в Реймс», «Счастливый обман», «Граф Ори» и «Севильский цирюльник» Россини, «Лючия ди Ламмермур» и «Дочь полка» Доницетти, «Травиата» и «Аида» Верди, «Турандот» Пуччини, «Евгений Онегин» Чайковского.
С оркестром «Новая Россия» записал музыку для церемоний открытия и закрытия Зимних Олимпийских игр в Сочи (2014). В сезоне 2016/17 был главным дирижером телепроекта «Большая опера» на телеканале «Россия-Культура». В сезоне 2021/22 провел концертный тур с Анной Нетребко и Юсифом Эйвазовым по России, а также гала-концерт «Классика на Дворцовой» в Санкт-Петербурге с участием звезд мировой оперы.
Проводит мастер-классы за рубежом. Вел курс оперно-симфонического дирижирования в Академии хорового искусства (2018–2021).
