Pompeiu va cursar els estudis secundaris a Dorohoi (província de Botoșani) abans d'ingressar a l'Escola Normal de professors a Bucarest, en la qual es va graduar el 1893. Entre 1893 i 1898 va fer de professor d'escola a Galați i a Ploiești. El 1898 va obtenir una excedència i va anar a París per completar els seus estudis matemàtics. El 1905 va obtenir el doctorat a la universitat de París sota la direcció d'Henri Poincaré.[1]
En retornar al seu país el 1905, va ser nomenat professor de matemàtiques de la universitat de Iași (actualment Universitat Alexandru Ioan Cuza). El 1912 va ser nomenat catedràtic de mecànica a la universitat de Bucarest en substitució del difunt Spiru Haret. El 1930 va passar a la càtedra de teoria de funcions.
Va fer nombroses contribucions en els camps de l'anàlisi matemàtica, la teoria de les funcions de variable complexa i la mecànica racional. El conjunt de la seva obra destaca per la seva originalitat, amb la introducció de nombroses idees i mètodes força fructífers.[2]
En anàlisi complexa són importants les seves aportacions sobre les singularitats de les funcions analítiques uniformes, objecte de la seva tesi doctoral (1905) i que inspirarà Felix Hausdorff a desenvolupar la mètrica de Hausdorff.[3] També han estat importants en estudis posteriors, les anomenades propietat i problema de Pompeiu,[4] introduïdes en uns articles de 1929[5]
Birsan, T.; Tiba, D. «One hundred years since the introduction of the set distance by Dimitrie Pompeiu». A: F. Ceragioli, A. Dontchev, H. Furuta, K. Marti, L. Pandolfi (eds.). System Modeling and Optimization (en anglès). Springer, 2006, p. 34-49. ISBN 978-0-387-32774-6.
O'Connor, John J.; Robertson, Edmund F. «Dimitrie Pompeiu» (en anglès). MacTutor History of Mathematics archive. School of Mathematics and Statistics, University of St Andrews, Scotland.(anglès)
Mocanu, Petru. «Profesor Dimitrie Pompeiu». Universitatea Babeş-Bolyai. [Consulta: 28 setembre 2019].(romanès)
«Dimitrie Pompeiu». Universitatea “Alexandru Ioan Cuza” din Iaşi. [Consulta: 28 setembre 2019].(romanès)