28 июня 1816 г. в семье Алексея Михайловича и Елизаветы Дмитриевны рождается сын Дмитрий. После окончания Благородного пансиона при Московском университете он решает строить карьеру в военной сфере. В 1833 г. Дмитрий получает первый офицерский чин прапорщика, а в 1837 г. оканчивает с серебряной медалью Императорскую Военную Академию.
В годы Крымской войны генерал-майор Милютин служит в Военном министерстве, где с началом правления Александра II пытается убедить высшие чины в необходимости радикальных реформ. В 1860 г., после перевода с Кавказа в Петербург, Дмитрий Алексеевич занимает должность заместителя военного министра, а через год генерал-адъютант Милютин возглавляет военное ведомство. Он сразу приступает к реализации своих реформаторских планов. Однако перед началом их проведения необходимо определить основные проблемы русской армии.
Во-первых, численность армии России была непомерно велика для мирного времени (более миллиона солдат и 38 тыс. генералов и офицеров в 1861 г.). Во-вторых, длительный срок службы рекрутов (25 лет, фактически – 15) не позволял создать значительных призывных резервов. В-третьих, уровень образования офицеров оставлял желать лучшего: только четверть офицерского корпуса имела военное образование. Помимо этого, катастрофически не хватало казарм, а вооружение войск было устаревшим.
Большинство этих проблем было решено Милютиным. К 1870 г. численность армии сократилась до 700 тыс. человек, а запас вырос до 553 тыс. вместо 210 тыс. в 1862 г. В 1874 г. была введена всеобщая воинская повинность. Все мужское население, достигнувшее 21 года, без различия сословий, должно было нести службу, срок которой ограничивался шестью годами для сухопутных войск и семью для флота. Исключения касались некоторых народов Сибири, Туркестана, Кавказа и Закавказья, а граждане Финляндии служили в составе отдельных финских частей на территории княжества.
Проблема образования также была решена. Были созданы военные и юнкерские училища, где упор делался на общеобразовательные предметы. Страна была разделена на 15 округов, штабы которых осуществляли административно-снабженческие функции. Командные функции были переданы в штабы дивизий, которые стали высшими тактическими единицами вместо корпусов.
Все эти преобразования оправдали себя уже в Русско-турецкой войне 1877–1878 гг. Ещё до начала войны авторитет Милютина существенно возрос, что позволяло ему иметь решающий голос в определении внешнеполитических целей империи.
Военный министр, будучи сторонником либеральных преобразований, в то же время являлся пламенным империалистом. Милютин активно лоббировал войну против Турции, а также захват Средней Азии. Он также был противником предоставления национальным окраинам каких-либо элементов автономии, считая, что автономия порождает сепаратизм.
Ярые экспансионистские взгляды Милютина иногда вызывали раздражение у его коллег. Например, министр финансов М.Х. Рейтерн настороженно относился к планам продвижения в Среднюю Азию, считая, что стремление к дальнейшим завоеваниям вместо развития уже имеющихся территорий равносильно гонке за призраками. Подобные настроения отражены и в стихотворении П.А. Вяземского:
Зачем так чутки мы на чуждые нам стоны,
А страждущей семьи нам голос часто чужд?
Зачем по сторонам кидаем миллионы,
Когда их нет для кровных наших нужд?
К концу правления Александра II Дмитрий Алексеевич, ранее убеждённый противник конституционализма, поддержал проект министра внутренних дел М.Т. Лорис-Меликова, предполагавший введение элементов народного представительства в высших органах власти. Однако после убийства Александра II и воцарения Александра III проект был отвергнут. Вслед за Лорис-Меликовым, 22 мая 1881 г., подал в отставку и Милютин.
После ухода со службы Д.А. Милютин отправился в своё крымское имение Симеиз, где писал воспоминания, а также многочисленные записки по актуальным политическим вопросам. Умер 25 января 1911 г.