Родился 16 мая 1979 г. в г. Волгограде. Внук участника Великой Отечественной и советско-японской войны полного кавалера ордена Славыстаршины Литвинова Василия Илларионовича (1911-1984).
С детства увлекался авиамоделированием, посещал курсы лётчиков и космонавтов при Качинском высшем военно-авиационном училище лётчиков. Окончив среднюю школу № 86 г. г. Волгограда (1996), поступил в Качинское ВВАУЛ, после расформирования которого в 1997 г. завершил обучение в Армавирском высшем Краснознамённом военном авиационном училище лётчиков противовоздушной обороны имени главного маршала авиации П.С. Кутахова (2001).
По выпуску из училища служил в Борисоглебском учебном авиационном центре подготовки лётного состава ВВС в г. Борисоглебске Воронежской области, затем в штурмовом авиационном полку в Забайкальском крае. Неоднократно участвовал в боевых действиях в «горячих точках». С февраля 2022 г. в составе воинской части участвовал в СВО на Украине в должности заместителя командира 266-го отдельного штурмового авиационного имени Монгольской Народной Республики Краснознамённого полка по военно-политической работе 11-й армии ВВС и ПВО Восточного военного округа.
В ходе выполнения боевой задачи на территории Киевской области вылетел в составе пары штурмовиков Су-25 для уничтожения ротного опорного пункта. После того, как российские лётчики поразили цель, ведомый самолёт подвергся обстрелу ракетой переносного зенитного ракетного комплекса противника, в результате которого вышел из строя один из двигателей и произошла потеря управления. Катапультироваться в таких обстоятельствах было крайне опасно. Подполковник Д.С. Литвинов перестроился за подбитый самолёт и, визуально оценив его повреждения, помог второму лётчику частично восстановить управление. В этот момент по подбитому самолёту была выпущена вторая ракета. Понимая, что самолёт не выдержит ещё одного попадания, лётчик не раздумывая принял единственно правильное решение — прикрыть коллегу своим самолётом, зашёл ему в хвост и отстрелил инфракрасные ловушки, которые увели выпущенную ракету от самолёта. Однако у подбитого самолёта полностью отказала система навигации, не работали приборы. Долететь до своего аэродрома и посадить самолёт лётчику удалось лишь благодаря командам, которые он получал по радиосвязи от подполковника Д.С. Литвинова. Тем самым жизнь лётчика была спасена и сохранена авиационная техника.
Указом Президента РФ Путина В.В. от 4 марта 2022 г. за героизм и мужество, проявленные при исполнении воинского долга гвардии подполковник Литвинов Дмитрий Сергеевич удостоен звания Героя Российской Федерации с вручением знака особого отличия — медали «Золотая Звезда».Высшую государственную награду России ему вручил 8 мая 2022 г. министр обороны РФ генерал армии Шойгу С.К. в Национальном центре управления обороной России.
10 июня 2022 г. на здании школы № 86 в Волгограде была установлена памятная доска Герою России — участнику СВО гвардии подполковнику Д.С. Литвинову.
Имя Героя увековечено в волгоградском Зале воинской и трудовой Славы.
С 2023 г. на ринге Волгоградской государственной академии физической культуры проводится турнир «Лиги Бокса» для спортсменов-любителей в рамках проекта «Страна Чемпионов», посвящённый Герою России Д.С. Литвинову.
