Książę Dymitr był prawnukiem wielkiego księcia Mikołaja Mikołajowicza, jednego z trzech młodszych braci cara Aleksandra II. Urodził się w Antibes we Francji 17 maja 1926 roku jako syn księcia Romana Piotrowicza Romanowa i jego małżonki Praskowii, z domu hrabianki Szeremietiew. W 1936 roku jego rodzina przeniosła się do Włoch, a sam Dymitr po zawarciu w 1959 roku małżeństwa z Dunką Johanną von Kaufmann osiadł w Danii, gdzie pracował w różnych bankach. Na emeryturę przeszedł w 1993 roku z kierowniczego stanowiska w największym duńskim banku Danske Bank.

Książę Dymitr był członkiem skupiającego potomków w linii męskiej cara Pawła I Stowarzyszenia Członków Rodu Romanowów od czasu jego założenia w 1979 roku. W 2014 roku przejął po swym zmarłym starszym bracie Mikołaju funkcję prezesa tego stowarzyszenia, poza którym pozostaje jednak część Romanowów - w tym uważająca się za obecną głowę rodu praprawnuczka cara Aleksandra II, 63-letnia wielka księżna Maria Władymirowna.

Po upadku komunizmu książę Dymitr wielokrotnie odwiedzał Rosję. Po owdowieniu zawarł w 1993 roku w Kostromie ślub z Dunką Dorritt Reventlov, co było pierwszym małżeństwem zawartym przez członka rodziny carskiej na terytorium Rosji od czasu abdykacji dynastii. W 1998 roku wraz z innymi członkami rodu uczestniczył w Petersburgu w pogrzebie ekshumowanych szczątków cara Mikołaja II i jego rodziny.

Rezultatem starań podejmowanych przez Dymitra na duńskim dworze królewskim i u prezydenta Rosji Władimira Putina było przeniesienie w 2006 roku zwłok zmarłej na emigracji w swej rodzinnej Danii carycy Marii Teodorowny do Petersburga, gdzie została pochowana u boku męża, cara Aleksandra III. Będąc na emeryturze książę patronował też firmowanym przez Romanowów lub też osobiście przez niego fundacjom, prowadzącym w Rosji działalność charytatywną.

W przesłanym wdowie telegramie kondolencyjnym Putin napisał, iż "świetlana pamięć o Dymitrze Romanowiczu Romanowie na zawsze pozostanie w sercach tych, którzy znali i cenili tego wspaniałego człowieka".

Książę Dymitr nie miał dzieci, a po jego bracie Mikołaju pozostały tylko trzy córki. Oznacza to wygaśnięcie męskiej linii potomstwa wielkiego księcia Mikołaja Mikołajowicza.