Родился в семье актёра Льва Золотухина.
В 1979 году окончил Школу-студию МХАТ (курс Виктора Монюкова).
В 1979—1982 годах — актёр МХАТ им. М. Горького.
Работу в кино начал в 1980 году исполнением роли молодого Петра I в дилогии Сергея Герасимова «Юность Петра» и «В начале славных дел», за что по опросу читателей журнала «Советский экран» был признан лучшим актёром 1981 года. После успеха этих лент создал тот же образ в телевизионном сериале режиссёра Ильи Гурина «Россия молодая».
В 1987 году окончил режиссёрский факультет ВГИКа (мастерская Сергея Герасимова и Тамары Макаровой) и дебютировал в качестве режиссёра, сняв криминально-психологическую драму «Христиане» по рассказу Леонида Андреева.
В 1994 году по собственному сценарию поставил фильм «Зона Любэ», выступив также в качестве продюсера картины.
В настоящее время Дмитрий работает в сфере цифрового ТВ, продюсирует программы для мобильного и IPTV.