En 2003, chez les juniors (17/18 ans), Denis Dmitriev est à domicile vice-champion d'Europe, ainsi que vice-champion du monde de vitesse par équipes. L'année suivante, pour sa deuxième année junior, il remporte son premier titre international et devient champion d'Europe de vitesse par équipes, associé à Stoyan Vasev et Mikhail Shikhalev. En 2008, il est de champion d'Europe de vitesse par équipes espoirs (moins de 23 ans), en collaboration avec Vasev et Pavel Yakushevskiy. Il participe aux Jeux olympiques de Pékin en vitesse et vitesse par équipes.
Le 15 avril 2017, il devient champion du monde de vitesse individuelle. Cela fait lui le premier coureur masculin russe à remporter une médaille d'or aux mondiaux sur piste dans une discipline individuelle[1]. Sergueï Kopylov avait été sacré en 1982, soit trente-cinq ans plus tôt, sous la bannière soviétique. La même année, il remporte trois manches de Coupe du monde et médaillé de bronze la vitesse aux championnats d'Europe.
Après l'expulsion de toutes compétitions des athlètes russes à la suite de l'invasion de l'Ukraine par la Russie, Dmitriev « sert de partenaire d’entraînement » à l'équipe nationale chinoise de cyclisme sur piste[3].