Родился 13 августа 1926 года в Москве в семье служащего. Русский. Член КПСС с 1957 года.
В Военно-Морском Флоте с 1943 года. Окончил подготовительную школу лётчиков при ВМАТУ имени В. М. Молотова (август 1943 года — июль 1944 года), Бакинское военно-морское подготовительное училище (октябрь 1944 года — август 1945 года). В 1949 году окончил Каспийское высшее военно-морское училище, в 1954 году — Высшие специальные офицерские классы подводного плавания при 1-м Высшем военно-морском училище подводного плавания, став впоследствии одним из первых офицеров атомного подводного флота.
В период с 30 августа по 17 сентября 1966 года одна из первых советских АПЛ «К-14» под командованием капитана 1-го ранга Дмитрия Голубева в одиночку совершила подлёдный переход из Северного Ледовитого в Тихий океан по Северному морскому пути (старший офицер на переходе — капитан 1-го ранга, командир третьего дивизиона атомных подводных лодок Северного флота Н. К. Игнатов). По пути следования совершила 19 всплытий в районе Северного полюса в поисках советской дрейфующей полярной станции Северный полюс-15, для оказания медицинской помощи одному из членов экспедиции.
Указом Президиума Верховного Совета СССР от 25 ноября 1966 года за успешное выполнение заданий командования и проявленные при этом мужество и героизм капитану 1-го ранга Голубеву Дмитрию Николаевичу присвоено звание Героя Советского Союза с вручением ордена Ленина и медали «Золотая Звезда» (№ 11386).
С 1970 года капитан 1-го ранга Голубев Д. Н. — в запасе. Работал начальником отдела Центрального совета ОСВОД, в СКВ Союзгеотехники. Жил в городе-герое Москве. Скончался 3 мая 2000 года. Похоронен в Москве на Ваганьковском кладбище.