Родился в деревне Повалишино Кирсановского уезда Тамбовской губернии, ныне не существует, находится на территории села Бибиково Уметского района Тамбовской области. С 1872 года жил в городе Москве, работал в мастерской фотографа М.П. Настюкова, где приобрёл практические навыки. В 1874 году на период работы Ярмарки в Нижнем Новгороде, познакомился с известнейшим нижегородским фотографом А.О. Карелиным. С 1877 года постоянно проживал в городе Нижнем Новгороде и работал в фотоателье Карелина. В 1887 году открыл собственное фотоателье, однако работа в стационарных условиях не приносила мастеру полного удовлетворения: он стремился снимать живую природу, людей в обычных бытовых условиях. Московская публика впервые увидела работы Дмитриева в 1889 году на выставке, посвященной 50-летию светописи, где экспозицию составили 53 безукоризненно выполненные работы большого формата: волжские виды, лесные пейзажи, групповые и индивидуальные портреты. Среди последних были весьма смелые – например, портрет ссыльного писателя В.Г. Короленко. Участник русских и иностранных экспозиций: «По светописи и её применениям» в Одессе (1890), III выставки V Отдела ИРТО в Петербурге (1891), Всемирной выставки в Париже (1892, золотая медаль), Международной выставки в Сен-Жиле (1892, «Гран-При»), Международной выставки в Брюсселе (1892, почётный диплом), II выставки Общества распространения технических знаний в Москве (1892, малая золотая медаль), Колумбийской выставки в Чикаго (1893, золотая медаль), Всемирной фотографической выставки в Антверпене (1895, почётный диплом), выставки Русского фотографического общества (1896), V выставки V Отдела ИРТО в Петербурге (1898), Всемирной выставки в Париже (1900, золотая медаль), Международной выставки Московского художественно-фотографического общества (1902), Всемирной выставки в Нью-Йорке (1914, почётный диплом). Действительный член Императорского Русского географического общества (1899). После Октябрьской революции 1917 года продолжал работать в Нижнем Новгороде. Оставаясь верным светописи, он фотографировал разруху первых лет Советской власти и новостройки первых социалистических пятилеток. Память: на доме № 9а по улице Пискунова в Нижегородском районе Нижнего Новгорода, где работал мастер, установлена мемориальная доска.
Место захоронения: г. Нижний Новгород Бугровское кладбище, 10 квартал