Тайный советник (с 1741). Из княжеского рода, родоначальник которого богатый татарин Кантемир в 1540 переселился в Молдавию и принял христианство. Его род пользовался титулом князя, который никогда не оспаривался, и Кантемиры считались природными князьями. Кантемир — младший сын князя Дмитрия Константиновича Кантемира (1673—1723), бывшего в 1693 и 1710—1711 господарем Молдавии, в 1711 переселившегося в Россию и пожалованного от Петра I титулом светлейшего князя, землями и имениями, чином тайного советника, назначенного сенатором, возведенного (1723) в княжеское достоинство Священной Римской Империи, от первого брака с княжной Кассандрой Щербановной Кантакузен (1682—1713), дочерью господаря Валашского.
Родился в Константинополе. Получил блестящее для своего времени образование: в совершенстве владел несколькими языками, изучал древнегреческий, латинский, итальянский, старославянский языки, историю, точные науки. В 1723 вместе с отцом сопровождал Петра I в Персидском походе. В 1724 обратился к Петру I с просьбой направить его учиться за границу, но получил отказ. В 1725—1727 слушал лекции по физике, математике, истории, философии в Академическом университете в С.-Петербурге. С 1726 прапорщик лейб-гвардии Преображенского полка. В 1725 начал литературную деятельность, занимался переводами. В политических эпиграммах и оригинальных сатирах (1729—1731) горячо поддерживал дело петровских реформ, выступал против представителей церковных и светских кругов, пытавшихся после смерти императора Петра Великого вернуть Россию к дореформенным порядкам. В 1730, при вступлении на престол императрицы Анны Ивановны, Кантемир принял деятельное участие в борьбе против «верховников» (членов Верховного тайного совета), пытавшихся ограничить самодержавие; он собирал подписи офицеров лейб-гвардии Преображенского полка, сопровождал князей A.M. Черкасского и Н.Ю. Трубецкого во дворец императрицы, его перу принадлежит адрес, поданный затем дворянством. В знак признательности Анна Ивановна пожаловала Кантемиру вместе с родственниками 1030 душ крестьян. Участие в событиях 1730 сблизило Кантемира с семьей канцлера A.M. Черкасского, однако предполагавшийся брак с княжной В. А. Черкасской, богатейшей в то время невестой в России, так и не состоялся.
24.12.1731 назначается резидентом в Великобритании; до этого отношения между двумя странами были прерваны на десять лет. Указом от 17.07.1733 он становится полномочным министром (посланником) в этой стране. Ему пришлось вести переговоры о признании английским правительством императорского титула за русскими государями и назначении английского представителя в Россию. В 1733, во время борьбы за «польское наследство», вёл переговоры о союзе России и Великобритании против Франции, поддерживавшей кандидатуру Станислава Лещинского; добивался от английского правительства отправки эскадры к Данцигу, чтобы парализовать действие французского флота, убеждал англичан в готовности русской эскадры выступить из Кронштадта. Английское правительство не спешило с ответом, но в невмешательстве Великобритании после взятия русскими войсками Данцига и избрания королем Августа III, поддерживаемого Россией, была значительная заслуга Кантемира.
Довольно неприятной и хлопотливой обязанностью, лежавшей также на русских дипломатических агентах, было следить за книгами о России, появлявшимися за границей. ХVIII век богат печатными пасквилями на Россию, авторами которых были всего чаще иностранные авантюристы, потерпевшие в ней какую-нибудь неудачу. Уже в 1732 Кантемир сообщал Остерману о враждебной России статье в журнале "Evening Post». А в ноябре 1735 завязалась оживленная переписка по поводу памфлета против России, который появился под французским заглавием «Lettres moscovites» («Московские письма») и тотчас же был переведен на английский язык. Автор памфлета был скоро угадан в С.-Петербурге: он оказался итальянским авантюристом графом Локателли, который, приехал в Россию под вымышленным именем и был арестован в Казани по подозрению в шпионстве. Привезенный в С.-Петербург, он целый год просидел в крепости, пока не был наконец выслан за границу за недостатком улик. «Московские письма» содержат очень нелестную картину русских правительственных порядков. Роль Кантемира в деле об этой книге оказалась очень затруднительной: ему было нелегко уверить петербургские власти, что само правительство в Англии бессильно против свободной печати. Когда, три года спустя, сам Локателли появился в Лондоне, продавая какие-то «медицинские секреты», Кантемир предлагал Остерману другое средство, к которому в то время нередко прибегали в подобных случаях - нанять людей, которые нашли бы случай побить Локателли. Результат такого предложения неизвестен.
Русский дипломат принимал деятельное участие в заключении торгового договора 1734 с Англией. Находил время заниматься наукой и литературой, исполнял поручения С.-Петербургской Академии наук: покупку книг, математических и астрономических приборов, привлекал к работе в Академии иностранных ученых; наладил широкие культурные связи.
По поручению вице-канцлера графа А.И. Остермана в 1737 вёл переговоры с французским послом в Лондоне де Камби о возобновлении дружественных отношений между Россией и Францией, прерванных в 1732. Их успешное начало подало мысль о переводе Кантемира в Париж. Перед отъездом, 24.01.1738, Кантемир направил из Лондона официальный доклад, в котором изложил свои соображения относительно мер, которые следует предпринять российскому правительству для содействия российским купцам, чтобы они могли успешно конкурировать с Америкой в торговле с Англией.
Шестилетнее пребывание в Лондоне было для Кантемира хорошей дипломатической школой. Приехав в страну, языка которой он первоначально вовсе не знал, не имея даже непосредственного предшественника, от которого мог бы получить характеристику людей и отношений, — он должен был постоянно иметь дело с такими выдающимися противниками, как братья Уолполы и, несмотря на то, с честью выполнял свою миссию, заслужив расположение двора, уважение обоих министров и дружбу одного из них — Горация. Его выдающаяся образованность и таланты тотчас были оценены в культурной Англии. Первый биограф Кантемира, аббат Венути, видел секрет его дипломатических успехов в высоких нравственных свойствах личности, которые дозволяли Кантемиру вносить больше искренности и честности в дипломатическое дело, чем это обыкновенно бывало.
18.04.1738 Кантемир назначается посланником во Франции. 11.12.1738, учитывая важность поста в Париже, Кантемир назначается чрезвычайным послом. Приехав в Париж, Кантемир некоторое время был вынужден жить инкогнито, пока не выяснился вопрос о его полномочиях; в С,-Петербурге, по-видимому, считали, что он поторопился с приездом, и княжне Марье пришлось влиять на не совсем дружелюбно расположенного Остермана, чтобы небольшому служебному промаху не было дано слишком большого значения. В Париже ждали русского дипломата более трудные и хлопотливые задачи; которые усложнялись очень сильно противодействием кардинала Флери. Кантемир жаловался на образ действий французского министра: «нельзя довольно ухвалить его обходительность», но дело тормозится «сумнительными експрессиями», которых полны его речи, «малопамятством» и «легкоподозрительством» кардинала. Вопрос об отъезде французского посланника в С.-Петербург между тем затягивался. Сперва на этот пост был намечен граф Вогренан, но он скрывался от Кантемира, выставляя вымышленные причины, препятствовавшие ему ехать. В итоге в конце 1739 в Россию отправился маркиз Шетарди. Но приём в С-Петербурге вызвал у Шетарди неудовольствие, как и его заносчивое и неосторожное поведение - у русского правительства. Кантемиру в это время пришлось приступить к щекотливому вопросу об императорском титуле, в котором французское правительство всё ещё отказывало русским государям. Все представления Кантемира наталкивались на упорное сопротивление - французское правительство ссылалось на пример Австрии.
Важной задачей для Кантемира было выяснение французской политики в Константинополе,но содержание депеш французского посла де Вильнева кардинал Флери тщательно скрывал. Положение Кантемира затруднялось дружбой России с Австрией, вызывавшую подозрения у французского двора. Между тем дороговизна парижской жизни очень давала себя чувствовать; содержание русского посланника уступало даже его сардинскому коллеге, который тратил в год не менее 120 тысяч ливров. Кантемир писал в С.-Петербург о необходимости предоставить ему больше средств, но эти ходатайства исполнялись неохотно, а Кантемиру приходилось оправдываться от упрёков в корыстолюбии. В июне 1739 в Силезии двумя русскими офицерами был убит шведский майор М. Синклер, ехавший из Константинополя в Швецию с письмами от султана и шведских дипломатов по поводу заключения шведско-турецкого военного союза. Кантемиру стоило больших усилий отвести от русского правительства подозрения в этом политическом убийстве.
Будучи за границей, Кантемир продолжал писать сатиры, переводить Горация, Анакреона, тщетно добиваясь печатания своих произведений в С.-Петербурге. Кантемир — один из основоположников русского классицизма и новой сатирической поэзии. Он ввёл в русскую речь такие слова, как «идея», «депутат», «материя», «природа» и т. д. По своим политическим убеждениям Кантемир был защитником господства дворянства, «просвещённого» абсолютизма, воплощением своих идеалов считал правление Петра Великого. Являлся сторонником естественного права, разделял идеалы просветителей. Отстаивал идею равенства людей перед законом, считал, что все люди рождаются равными. Осуждая крайности крепостного состояния, предлагал помещикам облегчить положение крестьян, уменьшить подати. Его собственные сочинения и переводы (Вольтера, Монтескье и др.) в начале 1740-х резко обострили отношения Кантемира с русским правительством. Однако его авторитет в европейской политике, умение действовать в сложной обстановке заставили русское правительство терпеть князя на его ответственном дипломатическом посту. После восшествия на престол императрицы Елизаветы Петровны было решено, что интересы России во Франции должен представлять «посланник» (верительная грамота 24.09.1742).
Будучи всю жизнь слабого здоровья, Кантемир скончался в Париже от чахотки на 36-м году жизни; похоронен в Москве в соборе Никольского греческого монастыря (могила не сохранилась). Не будучи женат, имел двух побочных детей с девицей Ангельберт в период своей жизни в Париже.