После вскрытия в Саввином монастыре в марте 1919 г. мощей св. Саввы Сторожевского направил патриарху Тихону доклад о кощунственном поведении членов проводившей вскрытие комиссии. В 1921 г. назначен епископом Ставропольским (по другим данным, временно управлял также Бакинской епархией). Под натиском обновленцев, которых поддерживали представители властей, был вынужден покинуть Ставропольскую епархию и переехал в Москву. Епархиальный совет города Козлова (ныне Мичуринск) направил делегацию к патриарху Тихону с просьбой о назначении к ним в город православного архиерея. 26 сентября 1923 г. Димитрий был назначен епископом Козловским, викарием Тамбовской епархии. Поскольку Тамбовский архиепископ Зиновий (Дроздов) в это время находился в заключении, на Димитрия было возложено временное управление епархией до освобождения архиепископа Зиновия весной 1924 г. Если к моменту прибытия Димитрия у православных оставалось в Козлове только два храма, то вскоре удалось вернуть 13 из 14 церквей, ранее захваченных обновленцами. Димитрий служил во всех городских храмах, был прекрасным проповедником. ОГПУ было встревожено огромным авторитетом Димитрия среди паствы и стремительным падением влияния обновленцев. Весной 1925 г. архиерея неоднократно вызывали на допросы, принуждая покинуть Козлов под угрозой ареста. Он выехал в Москву для оформления документов на выезд для лечения в Египет; был арестован в городе Сергиеве (ныне Сергиев Посад), куда заехал для встречи с бывшим обер-прокурором Синода Александром Дмитриевичем Самариным, с которым был в дружеских отношениях. После кратковременного пребывания в тюрьме Сергиева и Лубянской тюрьме освобождён с предписанием немедленно выехать в Козлов. В Козлове вновь был арестован и доставлен в Тамбов, затем освобождён. По некоторым данным, был назначен на Донскую кафедру. В декабре 1925 г. выехал в Москву, служил в разных храмах Москвы и Подмосковья. В июле 1926 г. был вызван начальником шестого (антицерковного) отдела Секретного отделения ОГПУ Евгением Александровичем Тучковым, потребовавшим от Димитрия покинуть Москву. Согласился выехать на лечение в Кисловодск. Перед отъездом получил от Заместителя Патриаршего Местоблюстителя митрополита Сергия (Страгородского; впоследствии Патриарх Московский и всея Руси) назначение на Пятигорскую кафедру. Поселился в Кисловодске, служил в Пантелеимоновской церкви. 13 января 1930 г. переведён на Костромскую кафедру, возведён в сан архиепископа (по другим данным, архиепископ с 1925 г.). 30 сентября 1931 г. вызван к присутствию в порядке очереди на зимнюю сессию Временного Священного Синода 1931/1932 г. 14 апреля 1932 г. награждён правом ношения креста на клобуке. По некоторым сведениям, получал назначения на Пятигорскую (июнь 1932 г.) и Калужскую (июнь 1933 г.) кафедры, в 1932 г. дважды был отправлен на покой, возможно, из-за кратковременных арестов, но затем вновь возвращался к архиерейскому служению. С 5 апреля 1934 г. – архиепископ Можайский, викарий Московской епархии. Жил в Москве, в сторожке при Ильинской церкви на Большой Черкизовской ул. 29 сентября. 1937 г. арестован и заключён в Бутырскую тюрьму. Обвинялся в «участии в контрреволюционной группировке и систематической антисоветской агитации». Не признал себя виновным и отказался давать показания на других арестованных. По одному следственному делу с Димитрием проходили архимандрит Амвросий (Астахов), игумен Пахомий (Туркевич), дьякон Иоанн Хренов, монахиня Татиана (Бесфамильная), мученик Николай Рейн, мученицы Мария Волнухина и Надежда Ажгеревич. Вместе с ними 17 октября Димитрий был приговорён к расстрелу Особой тройкой при УНКВД по Московской области. Прославлен архиерейским юбилейным Собором РПЦ 2000 г.