Участник русско-японской войны 1904—1905. Артиллерийским офицером служил на броненосце «Цесаревич», участвовал в обороне Порт-Артура и в бою в Жёлтом море. В одном из боёв с японской эскадрой получил ранение, но, очнувшись, лично управлял кораблём и смог вывести его из под огня неприятеля. За этот подвиг Д. В. Ненюков был награждён орденом Святого Георгия 4-й степени.