Dmitrijewa nahm im Jahr 2014 bei der Europameisterschaft 2014 erstmals mit der russischen Nationalmannschaft an einem Großturnier teil. Mit der russischen Auswahl schied sie nach der Gruppenphase aus. Auch im Folgejahr gehörte sie bei der Weltmeisterschaft dem russischen Aufgebot an, dass das Turnier auf dem fünften Platz abschloss.. Ihren ersten großen internationalen Erfolg im Erwachsenenbereich gelang im Jahr 2016, als sie mit Russland die Goldmedaille bei den Olympischen Spielen 2016 in Rio de Janeiro errang. Dmitrijewa erzielte 28 Tore, gab 16 Torvorlagen und wurde in das All-Star-Team gewählt.