Langewiesche hat sich mit Fragen zur Entstehung einer Nation beschäftigt und verschiedene Arbeiten zur politischen Geschichte Württembergs vorgelegt. Er studierte Geschichte, Politikwissenschaften und Germanistik in Heidelberg, wurde 1973/74 an der Universität Würzburg promoviert und habilitierte sich 1978 ebendort. Nach einer Professur für neuere Geschichte an der Universität Hamburg ging Langewiesche 1985 an den Lehrstuhl für mittlere und neuere Geschichte an der Universität Tübingen. 1996 wurde ihm der Gottfried Wilhelm Leibniz-Preis der Deutschen Forschungsgemeinschaft verliehen. Langewiesche ist seit 2010 Mitglied der Leopoldina in der Sektion Kulturwissenschaften.
Der mit 10.000 Euro dotierte Ludwig-Uhland-Preis wird alle zwei Jahre am 26. April, dem Geburtstag des deutschen Dichters Ludwig Uhland, vergeben. Dieter Langewiesche ist das erste Leopoldina-Mitglied, das den Ludwig-Uhland-Preis erhält.