Дмитро Мілютін почав здобувати освіту в благородному пенсионе. Він перебував при Московському університеті. Уже в роки навчання в цьому закладі Дмитро написав свої перші роботи в області математики і літератури. У 1833 році Дмитро Мілютін закінчив Шляхетний пансіон, отримавши срібну медаль.
Дмитро Мілютін вступив до військової академії відразу в останній клас. Цьому передувала гвардійська служба в Петербурзі. Поступово ж в останній клас Військової академії, Мілютін в 1836 році блискуче закінчив навчання в ній.
Дмитро Олексійович ніс службу в Генеральному штабі. У період з 1839 по 1845 роки перебував у військах Причорномор'я і Кавказької лінії, де безпосередньо брав участь в боях. Хоробрість Мілютіна зазначив його начальник П.Х. Грабі, у якого Дмитро Олексійович служив ад'ютантом. Полон Шаміля проходило якраз за планом, розробленим Мілютін - він Дмитро Олексійович був в цей час начальником штабу Кавказької армії.
Військову службу Мілютін поєднував з наполегливим навчанням. Він грунтовно вивчав такі спеціальні науки як фізика, топографія, геодезія та ін. Займався Дмитро Олексійович і літературною працею: для Військово-енциклопедичного словника Мілютін надав написані собственнолічно 150 статей з різних дисциплін.
Мілютін - професор Військової академії. Дмитра Олексійовича обрали професором в 1845 році - йому на той момент було всього 29 років. Мілютін проводив лекції з військової географії та статистики. У 1847 році Дмитро Олексійович отримує нове призначення. Він стає ад'ютантом при А.І. Чернишова - військовому міністрі. Трохи пізніше при новому військовому міністрі (В.А. Долгорукова) Мілютін стає вченим консультантом.
Мілютін розумів, що війна з Європою неминуча. Дмитро Олексійович мав великим кругозором, тому, усвідомлюючи невідворотність бойових дій з європейськими країнами, він говорив і про надзвичайно низьку до неї готовності російських військ. Це було на початку 50-х років XVIII. До ганебного закінчення Кримської війни було ще далеко. Але вже в цей час Мілютін розумів, що особовий склад російської армії придатний хіба що для участі в парадах, але ніяк не в бойових діях. Щоб змінити цю ситуацію, потрібні були радикальні реформи у військовій галузі.
Мілютін - військовий міністр. Цю посаду він отримав в 1861 році. Його метою стала повна реорганізація збройних сил Російської імперії. Він мав на увазі створення масової армії, чисельність особового складу якої повинна була бути мінімально можливою в мирні роки і максимально - в роки війни. Це могло бути можливим тільки за умови наявності навченого запасного складу.
В цілому, на думку Д. А. Мілютіна, армія повинна мати такі характеристики - особовий склад повністю навчений, армія оснащена сучасною технікою, управління армією підпорядковане новими правилами.
До числа конкретних заходів ставилося введення військової повинності - 1874 рік. Вона замінила собою обтяжують суспільство рекрутські набори і поширювалася на абсолютно все чоловіче населення, яке досягло певного віку - двадцяти одного року (йдеться про представників всіх станів). Серед досягли 21 року проводився жереб, згідно з яким і приймалося рішення, хто саме піде служити в поточному році.
Безсумнівним достоїнством проведеної реформи було скорочення терміну служби. Якщо до прийняття постанови про загальну військову повинність покликаним доводилося служити десятками років, то тепер чітко встановлювався загальний термін служби. Він становив п'ятнадцять років, з яких шість років відводилося на дійсну службу і дев'ять років на службу в запасі.
Мілютін особливо виділяв необхідність професійної підготовки офіцерів. Щоб досягти цієї мети, на думку військового міністра, важливим надавалося навчання і рядового складу - в 1875 році була визнана необхідність грамотності звичайних солдатів. Спеціально створені навчальні заклади навчали їх читання та письма.
Мілютін ратував за розвиток військової промисловості. Його працями на озброєння береться нова американська гвинтівка, правда, багато в чому вона вдосконалюється російськими вченими. У роки, коли Мілютін був військовим міністром, починається і розширюється виробництво сталевих гармат.
Проведені Д.А. Мілютін реформи були перевірені на ділі. Такий перевіркою стала російсько-турецька війна 1877 - 1878 років; перетворення Мілютіна витримали її гідно. Російська армія була мобілізована всього за чотири тижні; а на 42 день особовий склад вже був готовий до розгортання наступу. Аж до кінця 1877 року Дмитро Олексійович перебував на фронті бойових дій, і хоча Мілютін не приймав безпосереднього в них участі, він пильно стежив за командуванням військами.
Наприклад, після невдалої другої спроби взяття Плевни, військовий міністр роз'яснив командуванню про те, що необхідно від штурму переходити до облоги фортеці. Так і було зроблено, але не відразу після рекомендації, а слідом за ще однією спробою штурму Плевни - невдалою.
Сам Д.А. Мілютін через деякий час після закінчення війни без всякої гордості говорив, що все його вороги були змушені визнати збільшену боєготовність російської армії, її відмінну підготовленість і оснащеність. До речі, зарубіжні військові оглядачі теж заслуг російського міністра не заперечували.
Дмитро Олексійович був оцінений і самим імператором - відразу після укладення мирного договору Олександр II нагородив Мілютіна орденом Святого Георгія 2-го ступеня. Військовий міністр також був зведений в графське гідність.
Мілютін прагнув не допустити новий військовий конфлікт в Європі. Наприклад, після Берлінського конгресу 1878 року, який звів нанівець багато пунктів вигідного для Російської імперії Сан-Стефанського договору, Мілютін все одно був проти нових військових дій. Військовий міністр розумів, що нова війна принесе народу більше втрат, ніж негативні сторони Берлінського конгресу.
Останні тридцять років життя Мілютін провів в своєму рідному маєтку. У 1881 році в 65-річному віці Дмитро Олексійович подав у відставку. Залишок життя він проводить, скромно живучи в своєму маєтку в Криму. У ці роки він багато часу присвятив літературній праці - працює над "виховання".