Deniz Bölükbaşı aslen Kırşehirlidir. Osman Bölükbaşı'nın oğludur. TED Ankara Koleji ve Ankara Üniversitesi Hukuk Fakültesi'nden mezun olduktan sonra, 1973 yılında Dışişleri Bakanlığı'na girdi. Dışişleri Bakanlığı'nın merkez teşkilatında çeşitli kademelerde görev yaptıktan sonra, Atina ve Bonn Büyükelçilikleri'nde Elçi Müsteşarlığı görevlerinde bulundu.

Lizbon Büyükelçisi olarak görev yaptı. Dışişleri Bakanlığı Birinci Hukuk Müşavirliği görevini yürüttü. Başbakan Yardımcısı Devlet Bahçeli'nin Dış Politika Başdanışmanlığına atandı.

Cenevre Dünya Ticaret Örgütü nezdinde Türkiye Daimi Temsilcisi oldu. Türkiye Cumhuriyeti Dışişleri Bakanlığı tarafından, 1 Mart Tezkeresi öncesi görüşmelerin diplomasi ayağına başkanlık etti.

"Osman Bölükbaşı: Türk siyasetinde Anadolu fırtınası", 1 Mart Vakası adlı kitapların yazarıdır.