В сезоне-2008/09 Денис Бирюков вместе с партнёрами по молодёжной команде Сергеем Багреем, Дмитрием Ильиных и Дмитрием Красиковым начал на регулярной основе играть в Суперлиге — за дочернюю команду белгородского клуба «Металлоинвест», а в июле 2009 года стал победителем Универсиады в Белграде. Своей игрой на Универсиаде Денис привлёк внимание главного тренера национальной сборной Даниэле Баньоли, включившего молодого доигровщика в заявку на чемпионат Европы. 3 сентября 2009 года в Стамбуле Бирюков провёл свой первый в карьере матч за сборную России, встречавшуюся в тот день с эстонцами.