Sua madre era la granduchessaXenia (1875-1960), figlia dello zarAlessandro III e suo padre era il granduca Sandro, cugino di primo grado del padre della moglie: Dmitrij era quindi pronipote di Nicola I di Russia per parte di padre e pro-pronipote dello stesso per parte di madre, oltre ad avere per nonno Alessandro III e per zio Nicola II, particolarmente legato alla sorella ed al cognato.
Rivoluzione bolscevica
Quando l'imperatore Nicola II abdicò in seguito alla Rivoluzione di Febbraio nel 1917, l'Imperatrice vedova si ritirò in Crimea con moltissimi parenti, fra cui la figlia Xenia, il genero ed i loro figli: nel 1918 molti di loro furono incarcerati vicino a Jalta, ma un mese dopo vennero liberati dalle truppe tedesche in seguito alla firma del Trattato di Brest-Litovsk e nel 1919 i Romanov vennero salvati da un quasi sicuro massacro da parte dei bolscevichi poiché riuscirono ad imbarcarsi su una nave da guerra britannica, la HMS Marlborough, mandata all'uopo da re Giorgio V.[1], che li portò a Malta dove rimasero per circa nove mesi[2].
Esilio e matrimoni
Trasferitosi a Parigi come gran parte dei suoi parenti, il 25 ottobre 1931 sposò la contessa Marina Sergeievna Goleniščeva-Kutuzova (20 novembre 1912-1969), figlia del conte Sergej Aleksandrovič Goleniščev-Kutuzov, da cui ebbe una figlia, la principessa Nadejda Romanova (4 luglio 1939 - 17 settembre 2002), che sposata con Anthony Allen, ebbe tre figli, Penelope, Marina ed Alexandra; divorziata, si risposò con William Corridoio Clark. Il principe Dmitrij divorziò dalla moglie nel 1947 e si risposò il 20 ottobre 1954 con Margaret Sheila MacKellar Chisholm (9 settembre 1898 - 13 ottobre 1969), da cui non ebbe figli.
Ultimi tempi e morte
A seguito della creazione dell'Associazione della Famiglia Romanov nel 1979, il principe Dmitrij venne scelto come primo presidente, carica che detenne fino alla morte l'anno successivo.