2010 wurde Denis Dmitrijew Europameister der Elite im Sprint; im Finale schlug er überraschend den Franzosen Kévin Sireau, Weltmeister im Teamsprint von 2008 und mehrfacher Vize-Weltmeister. Diesen Erfolg konnte er 2012 und 2013 wiederholen. Bei den Olympischen Spielen 2012 in London belegte er im Teamsprint Platz sieben, gemeinsam mit Sergei Kutscherow und Sergei Borissow, und im Sprint Platz fünf. Beim &lt;a href="Bahnrad-Weltcup%202012/13"&gt;Bahnrad-Weltcup 2012/13&lt;/a&gt; gewann er die Gesamtwertung im Sprint.