Регалии: Заслуженный мастер спорта; бронзовый призер Олимпийских игр (2016) в спринте; чемпион мира (2017) в спринте; 2-кратный серебряный (2013, 2015) и 3-кратный бронзовый (2014, 2016, 2019) призер чемпионатов мира; 4-кратный чемпион Европы (2010, 2012, 2013, 2020) в спринте; 3-кратный серебряный (2019, 2020 - 2 медали) и 4-кратный бронзовый призер чемпионатов Европы (2011, 2012, 2013, 2017).
Родился 23 марта 1986 года в деревне Тырново Рязанской области (Россия).
Денис Дмитриев в детстве занимался футболом, плаванием, дзюдо, шоссейными велогонками, но в итоге остановил выбор на трековых велогонках.
В 2003 году на юниорских первенствах мира и Европы стал серебряным призером в командном спринте. Через три года на молодежном первенстве Европы выиграл бронзу в командном спринте, а в 2008-м на молодежном первенстве мира в этом же виде программы стал вместе с партнерами по команде обладателем золотой медали.
На Олимпиаде-2008 в Пекине Дмитриев соревновался в спринте, командном спринте и кейрине, но во всех трех видах занял места в конце второго десятка.
Одержав две победы на чемпионатах Европы, Денис Дмитриев рассчитывал завоевать медаль на Играх-2012 в Лондоне, однако стал пятым в индивидуальном спринте и седьмым - в командном.
В сезоне-2013 Дмитриев стал серебряным призером чемпионата мира в Минске, завоевал золото на чемпионате Европы в Голландии и благодаря серии успешных выступлений на других соревнованиях занял первую строчку итогового рейтинга спринтеров Международного союза велосипедистов.
На Олимпиаде-2016 в Рио-де-Жанейро Денис дошел до полуфинала, где встретился в спринте с четырехкратным олимпийским чемпионом Кенни Джейсоном. Победив в первом заезде, Дмитриев уступил в двух последующих и вынужден был бороться за бронзу (Кенни впоследствии выиграл свое пятое олимпийское золото).
Соперником Дмитриева в заездах за третье место стал австралиец Мэттью Глетцер. Российский велогонщик взял реванш за поражение на чемпионате мира и, победив в двух заездах, завоевал свою первую олимпийскую медаль.
В 2017-м году на чемпионате мира в Гонконге российский велогонщик все-так завоевал золотую медаль в спринте, а в 2020-м на чемпионате Европы в болгарском Пловдиве довел до четырех число своих наград высшей пробы на континентальных первенствах. Здесь он первенствовал в командном спринте.