Среднее образование получил в 1-й Московской гимназии. Затем поступил в Императорское Московское техническое училище, которое закончил в 1879 году, получив звание механика-строителя.
Увлёкшись ботаникой, в 1898 году бросил работу преподавателя технического училища и стал учёным хранителем, а позже старшим ботаником Ботанического музея Академии наук, где проработал до конца жизни.
Литвинов был активным путешественником, участвовал во многих экспедициях. Первооткрыватель (вместе с В. Я. Цингером) ботанического феномена урочища Галичья гора (1882).
Выдвинул гипотезу о реликтовом происхождении сосновых лесов на меловых горах в европейской части России.
Научные труды
- Литвинов Д. И. Геоботанические заметки о флоре Европейской России. // Бюллетень Московского общества испытателей природы. 1890. № 3. С. 322—434.
- Литвинов Д. И. О реликтовом характере флоры каменистых склонов в Европейской России. // Труды Ботанического музея Академии наук. 1902. Вып. 1. С. 76-109.
- Литвинов Д. И. Библиография флоры Сибири. // Труды Ботанического музея Императорской Академии наук; вып. 5. СПб.: Типография Академии наук, 1909.
- Литвинов Д. И. Следы степного послеледникового периода под Петроградом. // Труды Ботанического музея Академии наук. 1914. Т. 12. С. 246—269.
