Bei den UCI-Bahn-Weltmeisterschaften 2013 in Minsk wurde Dmitrijew Vize-Weltmeister im Sprint, 2014 errang er Bronze und 2015 wurde er erneut Vize-Weltmeister. Bei den Europameisterschaften im selben Jahr wurde er Dritter im Keirin. 2016 wurde Denis Dmitrijew für die Teilnahme an den Olympischen Spielen in Rio de Janeiro nominiert, wo er die Bronzemedaille im Sprint errang und im Keirin Platz 13 belegte.