Родился 23 января (5 февраля) 1907 года в деревне Киргизка (ныне в составе города Томск).
Стрелок 1075-го стрелкового полка 316-й стрелковой дивизии 16-й армии Западного фронта, красноармеец, Герой Советского Союза. Награждён орденом Ленина.
В 1941 году был призван в Красную Армию.
16 ноября 1941 года у разъезда Дубосеково Волоколамского района Московской области Дмитрий Тимофеев в составе группы истребителей танков участвовал в отражении многочисленных атак противника, было уничтожено 18 вражеских танков. Данный подвиг вошёл в историю, как 28 героев-панфиловцев. Тяжелораненый боец был взят в фашистский плен и попал в концлагеря, но считался погибшим во время боя.
21 июля 1942 года Указом Президиума Верховного Совета СССР Дмитрию Тимофееву посмертно было присвоено звание Героя Советского Союза (медаль «Золотая Звезда» № 1038) за образцовое выполнение боевых заданий командования на фронте борьбы с немецко-фашистским захватчиками и проявленные при этом мужество и героизм.
После освобождения из фашистского плена, а также проверок советской контрразведки Дмитрию Тимофееву были вручены орден Ленина и медаль «Золотая Звезда» Героя. После окончания войны он находился на лечении в городе Кисловодск Ставропольского края.
В поселке Светлом (сейчас в составе Томска) на фасаде здания школы установлена мемориальная доска Дмитрию Тимофееву.