Дмитрий родился в семье рабочего-сталелитейщика. Русский (отец — русский, мать — еврейка). Окончил гимназию. Участник революционных событий 1917 года в Брянске, работал секретарём отдела в Брянском уездном Совете рабочих, крестьянских и солдатских депутатов. Член ВКП(б) с 1920 года. С 1918 года в Красной Армии, вступил добровольцем. Воевал в 4-й Орловской стрелковой дивизии, участник обороны Петрограда от белых войск генерала Н. Н. Юденича.
С мая 1920 года — в органах ВЧК. Был уполномоченным Брянской уездной ЧК, Особого отдела Донецкой ЧК, начальником Старобельской и Шахтинской уездных ЧК, начальником Особого отдела Донецкого губотдела ГПУ. С октября 1922-го года — уполномоченный Одесской ЧК, в 1925 году назначен начальником Секретного отдела Одесского ГПУ. Участник ликвидации многочисленных повстанческих отрядов и обычных уголовных банд. В 1921 году награждён золотыми часами, в 1927 и в 1929 годах награждался именным огнестрельным оружием. Находился на чекистской работе в Киеве, Днепропетровске, Херсоне, Бердичеве, Сталино, Новограде-Волынском, начальник городского отдела НКВД в Кировограде.
В 1936 году окончил курсы высшего начальствующего состава при Центральной школе НКВД СССР, работал инспектором при начальнике Харьковского областного управления НКВД. В 1937 году уволен из органов НКВД «за сокрытие связи с старшим братом, арестованным как враг народа» и исключён из партии. В 1938 году после неоднократных письменных жалоб на имя Н. И. Ежова и И. В. Сталина вновь принят на работу в НКВД, направлен в систему ГУЛАГа начальником отдела в Медвежьегорске на строительство Беломоро-Балтийского комбината, затем в Норильлаг. В конце 1939 года Д. Н. Медведев в возрасте 41 года вторично уволен из органов «за необоснованное прекращение уголовных дел» и поселился в Подмосковье.
В июне 1941 года вновь восстановлен в органах госбезопасности и направлен в особую группу П. Судоплатова (в дальнейшем 4-е Управление НКВД СССР).
С 1941 года возглавлял отряд специального назначения, с августа 1941 г. по январь 1942 г. возглавлял опергруппу «Митя». Отряд «Митя» (разведывательно-диверсионная резидентура № 4/70 Особой группы при наркоме НКВД СССР) под командованием Д. Н. Медведева стал первым подразделением из состава ОМСБОН, заброшенным в тыл немецких войск в начале сентября 1941 года. Отряд действовал до января 1942 года, на территории Смоленской, Брянской, Могилевской областей, провёл свыше 50 крупных операций.
В апреле 1942 г. утверждён сотрудником Высшей школы НКВД по спецдисциплинам.
С июня 1942 г. по февраль 1944 года командир партизанского отряда специального назначения «Победители», действовавшего на центральной и западной Украине. В его отряде действовали выдающийся боксёр Н. Ф. Королёв и разведчик Н. И. Кузнецов. Отряд провёл свыше 120 крупных операций, уничтожил ряд высокопоставленных лиц оккупационного режима (11 генералов и высших государственных чиновников), 81 воинский эшелон, до 2000 немецких солдат и до 6000 полицейских и украинских националистов. Сам Медведев в боях был дважды ранен и один раз контужен. С февраля 1944 года находился на лечении в Москве, после выздоровления назначен заместителем начальника 4-го Управления НКВД.
За образцовое выполнение заданий командования в тылу противника Дмитрию Николаевичу Медведеву Указом Президиума Верховного Совета СССР от 5 ноября 1944 года присвоено звание Героя Советского Союза.
В 1945 году выезжал в длительную командировку в Литовскую ССР для организации борьбы с вооружёнными формированиями «Лесных братьев». В отставке с 1946 года, в звании полковника. Занимался литературным трудом.
Похоронен в Москве на Новодевичьем кладбище.
В своих книгах он рассказал о героической борьбе советских партизан и подпольщиков в тылу немецких войск.