В 2011 году Дмитрий Мусэрский в составе сборной России стал победителем Мировой лиги и Кубка мира. После Кубка мира перенёс операцию на голеностопе, и лишь в феврале 2012 года приступил к тренировкам. Вынужденное нахождение Мусэрского вне игры стало одним из факторов неудачного выступления «Белогорья» в чемпионате России, последствия травмы сказывались и на выступлениях за сборную — летом 2012 года на Мировой лиге и групповом этапе Олимпийских игр в Лондоне Дмитрий был нестабилен на подаче. Однако в финальном матче олимпийского турнира против сборной Бразилии Дмитрий Мусэрский внёс значительный вклад в победу российской команды. При счёте 2:0 по партиям в пользу соперника он был переведён Владимиром Алекно на позицию диагонального и выдержал максимальную нагрузку в нападении. Дмитрий стал самым результативным игроком финала, реализовав 28 атак из 49, а всего набрал 31 очко.