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 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 Андреем Осиповичем Карелиным. 

С 1877 года постоянно проживал в Нижнем Новгороде и работал в фотоателье Карелина. 

В 1887 году Дмитриев открывает 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. 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. И публика, и критики дали высокие оценки фотографиям Дмитриева.

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 революции 1917 года продолжал работать в Нижнем Новгороде. Оставаясь верным светописи, он фотографировал разруху первых лет Советской власти и новостройки первых социалистических пятилеток. Его фотографии отразили изменения внешнего облика города и людей разных социальных групп, оставив будущим поколениям изобразительную энциклопедию нижегородской жизни. 

В конце 1929 года его фотоателье перешло в ведение Детской комиссии при Нижегородском крайисполкоме, а сам Дмитриев был утверждён заведующим художественной частью и павильонным фотографом. 

Детская комиссия варварски отнеслась к наследию художника, сдав в утиль 16000 негативов. В 1933 году краевое архивное бюро забрало у Детской комиссии уцелевшие материалы (около 7000 негативов), благодаря чему они сохранились до наших дней.

Последние годы жизни провёл в полном забвении. Похоронен на Бугровском кладбище Нижнего Новгорода.

Память: на доме № 9 по улице Пискунова в Нижегородском районе Нижнего Новгорода, где работал мастер, установлена памятная доска.

​