Insgesamt absolvierte Dmitrijew sechs Spiele für die Fußballnationalmannschaft der UdSSR. Am 2. Februar 1985 erzielte er in einem Freundschaftsspiel gegen Marokko sein einziges Tor für die UdSSR. Dmitrijew stand auch im Kader der UdSSR bei der UEFA-EURO 1988 in der Bundesrepublik Deutschland, kam aber nicht zum Einsatz.