На чемпіонаті світу 2013 року завоював срібну нагороду в спринті, поступившись у фіналі німцеві Штефану Беттіхеру в 2 заїздах. У наступному році на чемпіонаті світу в колумбійському Калі здобув у спринті бронзову нагороду, поступившись у півфіналі в 2 заїздах майбутньому чемпіонові французові Франсуа Первісу. Через рік у Франції Денис знову штурмував золоту вершину і знову поступився, на цей раз французові Грегорі Боже в 2 заїздах. В олімпійський рік на чемпіонаті світу в Лондоні Дмітрієв знову потрапив до трійки призерів, поступившись у півфіналі австралійцеві Меттью Глетцеру в 2 заїздах, але перемігши поляка Даміана Зелінського.