Родился 21 июня 1967 года в подмосковном Загорске (ныне Сергиев Посад). Мать, Зоя Александровна, и отец, Юрий Викторович, были инженерами и работали в ЦНИИ точного машиностроения. Дмитрий Холодов вырос в подмосковном городе Климовске, учился в школе № 5, которая теперь носит его имя.
После окончания школы служил в морской пехоте.
С отличием окончил Московский инженерно-физический институт (МИФИ), работал инженером в ЦНИИ точного машиностроения и корреспондентом на радио в Климовске.
В августе 1992 года стал корреспондентом газеты «Московский комсомолец». Писал о современной российской армии, побывал во многих горячих точках — в Абхазии, Чечне, Азербайджане, на таджикско-афганской границе.
Журналист был известен своими публикациями о коррупции в российской армии. В своих материалах он неоднократно подвергал критике министра обороны Павла Грачёва, которого обвинял в причастности к коррупционному скандалу в Западной группе войск.
17 октября 1994 года Дмитрий Холодов погиб в Москве на рабочем месте в редакции газеты от взрыва самодельной мины-ловушки, находящейся в портфеле-дипломате. Смерть наступила в результате травматического шока и обескровливания.
По свидетельству коллег, Холодов предполагал, что в дипломате, полученном в камере хранения на Казанском вокзале, находятся документы о нелегальной торговле оружием.
Похоронен на Троекуровском кладбище в Москве. Посмертно удостоен премий Союза журналистов России и «За свободу прессы» (обе — в 1994 году).
На следующий день после убийства, 18 октября 1994 года, Генпрокуратурой РФ было возбуждено уголовное дело по статье «Умышленное убийство при отягчающих обстоятельствах» (ст. 102 ч.2 УК РФ). 19 октября Генпрокуратура переквалифицировала содеянное на статью «Террористический акт, повлекший смерть человека» (ст. 213 ч. 3 УК РФ). 11 ноября 1994 года был задержан первый подозреваемый по делу — взрывотехник полковник ГРУ Владимир Кузнецов, но его причастность к смерти Холодова не подтвердилась, и в июне 1995 года обвинение было снято.
В 1998—2000 годах по подозрению в убийстве были задержаны бывший начальник разведки ВДВ полковник запаса Павел Поповских, бывший командир спецотряда спецназа ВДВ майор Владимир Морозов, его заместители майоры Александр Сорока и Константин Мирзоянц, бывший десантник предприниматель Константин Барковский, замгендиректора ЧОП «Росс» Александр Капунцов. Им было предъявлено обвинение по статье «Умышленное убийство при отягчающих обстоятельствах». Дело рассматривалось четыре года, в течение которых обвиняемые находились под стражей в СИЗО. 26 июня 2002 года Московский окружной военный суд оправдал всех обвиняемых за отсутствием доказательств, освободил их из-под стражи и отменил арест их имущества.
27 мая 2003 года военная коллегия Верховного суда по протесту Генпрокуратуры отменила оправдательный приговор, направив дело на новое рассмотрение. 10 июня 2004 года подозреваемые снова были оправданы. Кроме того, суд вынес частное определение в адрес Генпрокуратуры, обвинив сотрудников следственного аппарата в грубых нарушениях Конституции и Уголовно-процессуального кодекса и обязав генерального прокурора Владимира Устинова в течение месяца сообщить о принятых мерах. Генеральная прокуратура и родители Дмитрия Холодова подали кассационную жалобу в Верховный суд. В марте 2005 года военная коллегия Верховного суда подтвердила правомочность вердиктов Московского окружного военного суда.
В сентябре 2005 года родители Холодова подали иск в Европейский суд по правам человека. Через год суд объявил об отказе от рассмотрения иска, мотивировав решение тем, что убийство Холодова было совершено до ратификации Россией в 1998 году Европейской конвенции по правам человека.
В 2006—2009 годах бывшие обвиняемые подали в Верховный суд иски о возмещении Генпрокуратурой нанесённого им ущерба. Иски были частично удовлетворены.
На данный момент убийство остаётся нераскрытым.
Имя журналиста носит школа № 5 в городе Климовске, в которой он учился. Там же есть улица его имени, а на здании редакции газеты «Московский комсомолец» в Москве установлена мемориальная доска памяти Дмитрия Холодова.
17 октября 1995 года на могиле журналиста был открыт памятник.