В годы Гражданской войны сотрудник Брянской губ. ЧК, участник боёв на Вост. и Петрогр. фронтах.

С 1920 работал в органах ВЧК, ОГПУ, НКВД Украины. Был уполномоченным Брянской уездной ЧК, Особого отдела Донецкой ЧК, начальником Старобельской и Шахтинской уездных ЧК, начальником Особого отдела Донецкого губотдела ГПУ. С октября 1922 года — уполномоченный Одесской ЧК, в 1925 году назначен начальником Секретного отдела Одесского ГПУ. Участник ликвидации многочисленных повстанческих отрядов и обычных уголовных банд. В 1921 году награждён золотыми часами, в 1927 и в 1929 годах награждался именным огнестрельным оружием. Находился на чекистской работе в Киеве, Днепропетровске, Херсоне, Бердичеве, Сталино, Новограде-Волынском, начальник городского отдела НКВД в Кировограде.

В 1936 году окончил курсы высшего начальствующего состава при Центральной школе НКВД СССР, работал инспектором при начальнике Харьковского областного управления НКВД. В 1937 году уволен из органов НКВД «за сокрытие связи с старшим братом, арестованным как враг народа» и исключён из партии.

В 1938 году после неоднократных письменных жалоб на имя Н. И. Ежова и И. В. Сталина вновь принят на работу в НКВД, направлен в систему ГУЛАГа начальником отдела в Медвежьегорске на строительство Беломоро-Балтийского комбината, затем в Норильлаг. В конце 1939 года Д. Н. Медведев в возрасте 41 года вторично уволен из органов «за необоснованное прекращение уголовных дел» и поселился в Подмосковье.

В июне 1941 года вновь восстановлен в органах госбезопасности и направлен в особую группу П. Судоплатова (в дальнейшем 4 Управление НКВД СССР). С 1941 возглавлял отряд специального назначения, с августа 1941 г. по январь 1942 г. возглавлял опергруппу «Митя». Отряд «Митя» (разведывательно-диверсионная резидентура № 4/70 Особой группы при наркоме НКВД СССР) под командованием Д. Н. Медведева стал первым подразделением из состава ОМСБОН, заброшенным в тыл немецких войск в начале сентября 1941 года. Отряд действовал до января 1942 года на территории Смоленской, Брянской, Могилевской областей, провёл свыше 50 крупных операций.

С июня 1942 по март 1944 командовал крупным партизанским отрядом «Победители», действовавшим на территории Ровенской и Львовской обл. Под командованием Медведева отряд провёл свыше 120 крупных операций, уничтожил ряд высокопоставленных лиц оккупационного режима (11 генералов и высших государственных чиновников), 81 воинский эшелон, до 2000 немецких солдат и до 6000 полицейских и украинских националистов. Сам Медведев в боях был дважды ранен и один раз контужен. С февраля 1944 года находился на лечении в Москве, после выздоровления назначен заместителем начальника 4-го Управления НКВД. Собранная отрядом (в его состав входил прославленный разведчик Н. И. Кузнецов, выдающийся боксёр Н. Ф. Королёв) обширная разведывательная информация получила высокую оценку советского командования. За образцовое выполнение заданий командования в тылу противника Дмитрию Николаевичу Медведеву Указом Президиума Верховного Совета СССР от 5 ноября 1944 года присвоено звание Героя Советского Союза.

После Великой Отечественной войны Медведев занимался литературной и общественной деятельностью.

Автор книг: «Это было под Ровно» (М.—Л., 1948) (по сюжету, который лег в основу этой книги, еще в 1947 году был снят фильм «Подвиг разведчика» — автор сценария М. Б. Маклярский — ред.), переработанное и дополненное изд. под названием «Сильные духом» (М., 1951), «Отряд идет на Запад» (Львов, 1948), «На берегах Южного Буга» (М., 1957), в которых рассказал о героической борьбе советских людей в тылу немецко-фашистских войск. Книги Медведева пользуются широкой популярностью в Сов. Союзе и переведены на многие иностр. языки. Награждён 3 орденами Ленина, орденом Красного Знамени и медалями.