Сын агронома. Школьником занимался в литературном кружке, писал стихи. Учился в Калининском педагогическом институте. По совету С.Наровчатова перешел в Литературный институт им. М.Горького, занимался в семинаре М.Луконина, затем Е.Долматовского (окончил в 1952). Вернулся в родной город, по рекомендации земляка — Б.Полевого — занялся журналистикой, писал очерки, репортажи, фельетоны; встречи с интересными людьми во время командировок служили импульсом к рождению стихов. Первый сборник «Лирические стихи» (1955) вышел в Калинине. Сам Дементьев впоследствии сказал о первой своей книге, что она «неровная, ибо неровной, негладкой и неоднозначной была жизнь» (Избранное. С.6).
В книгах стихов «Глазами любви» (1962), «Солнце в доме» (1964), «Наедине с совестью» (1965), «Рядом ты и любовь» (1976), «Рожденье дня» (1978), «Азарт» (1983) и других главное место занимает лирика, преобладает авторский монолог, обращенный к современникам и наполненный проблемами, надеждами, раздумьями переживаемого времени. В стихах Дементьева — признания в любви женщине, матери, родному краю, открытое неприятие всего фальшивого, злого. Позиция поэта-лирика — в самих названиях стихотворениях: «Доверчивость», «Доброта», «Люблю», «Баллада о верности», «Я ненавижу в людях ложь...», «Не смейте забывать учителей...», «Муза моя, ты сестра милосердия...». Видевший горе войны и сам его переживший, Дементьев выделяет в своей лирике такие стихи, как «Баллада о матери» и «Западные туристы» (оба — 1966).
«Самое страшное в поэзии, по-моему, иммунитет, — размышляет Дементьев, — доброе слово — это всегда соучастие» (Избранное. С.7). Отсюда и поэтическая декларация Дементьева: «Не жалейте своей доброты и участья, / Если даже за все вам — усмешка в ответ. / Кто-то в гении выбился, кто-то в начальство... / Не жалейте, что вам не досталось их бед...» («Ни о чем не жалейте», 1977).
Из книги в книгу Дементьев переходит, дополняясь, раздел «Строфы» — короткие стихи, отмеченные стремлением к афористичности, иногда чрезмерной прямолинейностью, назидательностью («Мы скаковые лошади азарта. / На нас еще немало ставят карт. / И может быть, мы тяжко рухнем завтра, / Но это завтра... / А сейчас азарт»).
Дементьев — автор многих песен, среди них — «Отчий дом», «Лебединая верность», «Каскадеры», «Подари мне признанье» и др. Свою работу в этом жанре объясняет семейной традицией (в доме Д. очень любили песню, у деда и матери были красивые голоса, часто пели русские народные песни). В первые десятилетия своего пути писал также поэмы: «Мужество» (1958), «Дорога в завтра» (1960), «Россия» (1964).
Представляет интерес книга лирики Дементьев «Снег в Иерусалиме» (1993), названная так «по первому впечатлению», потому что снег «своей чистотой соединил (в душе поэта. — Ред.) великую Россию и Святую землю. И на моей Родине и в Израиле люди, по сути, живут схожей жизнью — мыслями о будущем, верностью друзей и боязнью войны... все мы — дети одной Природы и одного Времени» (Снег в Иерусалиме. С.14). Дементьев включил в книгу старые, особенно дорогие для него стихи («Сандаловый профиль Плисецкой...», «Отец», «Дочери», «Памяти Высоцкого» и др.) и новые («Гефсиманский сад», «В Иерусалиме выпал русский снег...», «В изгнании», «Я вспомнил Волгу подле Иордана...» и др.). Главные темы поздней лирики Дементьева — история и современность, судьбы соотечественников, рождающие порой горькие строки: «В Россию лишь можно верить, / А жить в ней давно нельзя» («В изгнании», с посвящением Галине Вишневской). Вместе с тем Дементьев остается верен нравственным постулатам, характерным для его поэзии предшествующих лет: «Я ничего и никому не должен, / Поскольку никогда не жил в кредит». Книгу «Снег в Иерусалиме» оформил И.Глазунов.
Дементьев — лауреат Государственной премии СССР (1985) за книгу стихотворений «Азарт».
Главный редактор журнала «Юность» в 1981–91.