Окончил Санкт-Петербургскую духовной семинарии (1878), Санкт-Петербургскую духовную академию (1882) со степенью кандидата богословия (тема кандидатской работы: «Никита Пустосвят и его значение в расколе»).
6 сентября 1922 арестован и выслан на три года. Ссылку отбывал в городе Уральске, а последние два года — в городе Теджене (Туркестан).
Освобождён из ссылки 1 марта 1925, вернулся в Ленинград.
Был пострижен в монашество в Свято-Даниловым монастыре в Москве, возведён в сан архимандрита
С 12 января 1926 — епископ Гдовский, викарий Ленинградской епархии. Выступил против Декларации Заместителя Патриаршего местоблюстителя митрополита Сергия (Страгородского), содержавшей далеко идущие уступки советской власти. В ноябре 1927 возглавлял делегацию представителей ленинградских клириков и прихожан, которая прибыла к митрополиту Сергию с тем, чтобы убедить его пересмотреть Декларацию. Во время встречи заявил, что «Я лично человек совершенно аполитичный и если бы понадобилось мне самому себе донести в ГПУ, я не мог бы ничего придумать, в чем я виновен перед советской властью. Я только скорблю и печалюсь, видя гонение на религию и Церковь. Нам пастырям запрещено говорить об этом и мы молчим. Но на вопрос, имеется ли в СССР гонение на религию и Церковь, я не мог бы ответить иначе, чем утвердительно». Встреча завершилась безрезультатно.
Был ближайшим сподвижником митрополита Ленинградского Иосифа (Петровых). После того, как митрополит Сергий сместил митрополита Иосифа с Ленинградской кафедры, епископы Димитрий (Любимов) и Сергий (Дружинин) 26 декабря 1927 подписали акт официального отделения от митрополита Сергия. В феврале 1928 митрополит Иосиф возвёл владыку Димитрия в сан архиепископа и поручил ему временное управление Ленинградской епархией.
После ареста митрополита Иосифа в 1928 архиепископ Димитрий фактически возглавил «иосифлянское» движение, служил в храме Воскресения-на-Крови, ставшем кафедральным собором «иосифлянской» епархии. Во время одной из проповедей предупредил верующих о том, что нужно быть готовыми уйти в подполье, рассеяться, укрыться от всякого контроля большевиков, а если существовать открыто — то как организации, которая должна сопротивляться всем антицерковным мероприятиям советской власти (так закладывались основы «катакомбной церкви»). В своих проповедях епископ заявлял, что церковь, возглавляемая митрополитом Сергием, есть «царство антихриста»; что храмы, в которых возносится имя митрополита Сергия и поминается власть, истинно-православные не должны посещать, ибо храмы эти превратились в «вертепы сатаны», что все духовенство, подчиняющееся митрополиту Сергию и его синоду, уклонилось от православия и сделалось «служителями диавола»; что причастие «сергиан» есть «пища демонов», не освящающее, а оскверняющее верующих.
Митрополит Сергий, в свою очередь, запретил владыку Димитрия и других «иосифлянских» епископов в служении, а 6 августа 1929 признал таинства, совершаемые этими иерархами, недействительными. «Иосифляне» не подчинились этим решениям.
29 ноября 1929 архиепископ Димитрий был арестован по обвинению в «контр-революционной агитации, направленной к подрыву и свержению советской власти». Вместе с ним были арестованы многие «иосифляне». Содержался в тюрьме в Ленинграде, мужественно вёл себя на допросах.
3 августа 1930 приговорён по ст.ст. 58-10 и 11 УК РСФСР к 10 годам тюремного заключения. Отправлен в Ярославский политизолятор. Осенью 1930 был привлечен к следствию по делу «Всесоюзного Центра ИПЦ». 3 сентября 1931 приговорен по тем же статьям УК РСФСР к высшей мере наказания, расстрелу, с заменой на 10 лет тюремного заключения. Находился в заключении в одиночной камере Ярославского политизолятора, где и скончался.