Служба
Д. И. Хворостинин начал службу в звании стольника. До 1563 года был воеводой в приволжских городах.
В 1563 году назначен воеводой вместе с князем М. В. Глинским для похода против литовцев, участвовал во взятии Полоцка. В крепость он ворвался одним из первых.
Русско-Крымские войны
В 1564 году одержал победу над крымцами, возвратившимися с добычей из-под Калуги.
В 1566 году войско крымского хана прорвалось к Болхову. Направленные против крымцев воеводы П. М. Щенятев и И. В. Шереметев с поставленной задачей не справились. На помощь Болхову пришлось идти рати, возглавляемой опричными воеводами А. П. Телятевским, Дмитрием и Андреем Хворостиниными. Узнав о приближении свежих русских сил, Девлет I Гирей ушёл из-под Болхова. За этот поход Дмитрий Иванович получил в награду от царя «золотой».
В 1570 году при очередном походе крымского хана на Московское княжество крымские «загоны» проникли в Каширский уезд. 21 мая 1570 года за Зарайском Д. И. Хворостинин и Ф. Львов разгромили один из «загонов» и освободили многих пленников.
В 1572 году Д. И. Хворостинин командовал Передовым полком русского войска при последнем походе крымского хана на Москву. Этот поход закончился уничтожением крымско-турецкого войска в Молодинской битве.
Ливонская война
В 1577 году в качестве второго воеводы передового полка князя Голицына участвовал в осаде шведского города Ревель.
В 1578 году Хворостинин назначен вторым воеводой Большого полка в Ливонском походе, во время которого войско под его начальством взяло город Оберпален, занятый после бегства короля Магнуса сильным шведским гарнизоном.
В 1579 году Хворостинин нанес поражение литовско-ливонским войскам около Ржева.
В 1581 году в решающее наступление против русских перешли шведы. Закрепившись в Нарве и Ивангороде, они захватили пограничные крепости Ям (28 сентября 1581) и Копорье (14 октября) с уездами. Однако в феврале 1582 года Передовой полк русской рати под командованием Д. И. Хворостинина и думного дворянина М. А. Безнина у села Лялицы в Водской пятине атаковал начавшие новое наступление шведские войска. Потерпев поражение, противник вынужден был поспешно отойти в Нарву.
На восточном рубеже
В 1583—1584 годах усмирил взбунтовавшихся луговых черемисов и казанских татар. Тогда же пожалован в бояре и назначен государевым наместником в Рязани, с поручением охранять всю приграничную линию.
Война со Швецией
В 1590 году Д. И. Хворостинин во главе русских войск разбил 4-тысячное шведское войско под начальством генерала Густава Банера близ Нарвы. В тяжелом бою шведы отошли к городу Везенберг.
