В основных сочинениях он писал о церковной истории, прежде всего, тех епархий, в которых он служил. Итогом работы в Воронеже стал «Указатель храмовых празднеств в Воронежской епархии» (Воронеж, 1884–1886. 4 выпуска), содержащий сведения о 994 монастырских, приходских, кладбищенских и домовых храмах с указанием приделов, времени постройки храмов, их упоминаний в источниках, средств, употреблённых на постройку или перестройку этих зданий, имён строителей, истории причтов и способов их содержания, количестве прихожан. Также был опубликован свод некрологических записей, которые вели во второй половине XVIII в. купцы Елисеевы. Димитрий составил описания коротоякского Вознесенского, валуйского в честь Успения Пресвятой Богородицы и во имя святителя Николая Пристанского, Семилуцкого Преображенского, Белоколодского Преображенского монастырей, ряда церквей Воронежа. Подготовил «Житие святителя Митрофана», епископа Воронежского (Воронеж, 1869 г.). По его инициативе в «Воронежских епархиальных ведомостях» была опубликована серия статей сельских священников с историко-этнографическими описаниями приходов. В Твери Димитрий подготовил фундаментальное издание о местных святых. Главный труд Димитрия – «Месяцеслов русских святых, всею Русскою Церковию или местно чтимых», 14 томов которого (12 по месяцам и два дополнительных) были напечатаны в 1878–1907 гг. По значению в истории русской агиологии Димитрия сравнивали с Владимирским архиепископом Сергием (Спасским). Значительно уступая «Полному месяцеслову Востока» Сергия (Спасского) в научной глубине и основательности, «Месяцеслов», составленный Димитрием, превосходил его в подробном изложении церковно-исторических, обрядово-этнографических, фольклорных и даже фенологических сведений, в подаче библиографических указаний. Он не имеет себе равных по полноте и многоплановости сведений о русских святых (в том числе местночтимых), о святых мощах, иконографии, крестных ходах, службах, а также о многих святых Вселенской церкви с точки зрения особенностей их почитания на Руси. Особое внимание автор уделял неканонизированным подвижникам благочестия, благодаря чему «Месяцеслов» и сегодня сохраняет научное и практическое значение (особенно для работ по подготовке новых канонизаций). Димитрий также составил утверждённые Святейшим Синодом службы 12 апостолам (Киев, 1900 г.) и 70 апостолам (Киев, 1900 г.), акафист Иоанну Златоусту. 18 марта 1904 г. совет Санкт-Петербургской духовной академии удостоил его учёной степени доктора церковной истории. Он был избран членом Московского противораскольнического братства святителя Петра, митрополита Московского (1873 г.), Киевского церковно-археологического общества (1873 г.), почётным членом Палестинского православного общества (1892 г.), Московской духовной академии (1893 г.), Киевской духовной академии (1899 г.) и др. Награждён орденами св. Анны второй (1879 г.) и первой степени (1891 г.), св. Владимира четвёртой (1883 г.) и третьей (1887 г.) степени. Погребен 22 марта 1908 г., согласно завещанию, под алтарём кафедрального Благовещенского собора в Казани в усыпальнице Казанских архиереев. Отпевание совершал Симбирский архиепископ Иаков (Пятницкий) в сослужении четырёх епископов, а также родственников почившего (сына-архимандрита и двух племянников-священников) и др. Могила не сохранилась.