В 1758 г. в храме подворья Димитрий рукоположил во иеромонаха Гавриила (Петрова; впоследствии митрополит Новгородский и Санкт-Петербургский). Весной 1762 г. освящал воздвигнутый по проекту Бартоломео Франческо Растрелли (1701–1771 гг.) Зимний дворец в Санкт-Петербурге, 4 августа 1764 г. – церковь во имя святой Екатерины, первый из храмов санкт-петербургского Смольного в честь Воскресения Господня монастыря. Архиепископ Филарет (Гумилёвский) отмечал, что Димитрий «в правлении церковном, к сожалению, увлекался тщеславием и желал угождать более людям, чем Богу». Димитрий восторженно приветствовал восшествие на престол императрицы Елизаветы Петровны и императора Петра III, называя Петра III «именем и делом Петру Великому подобным». Находясь в столице во время дворцового переворота 28 июня 1762 г., который привёл на престол императрицу Екатерину II, Димитрий первым обратился к ней как к самодержице с амвона церкви в честь Рождества Богородицы на Невском проспекте. В речах подчёркивал, что она заняла престол «без всякого вреда и кровопролития», в заботе о «утесняемых чадех Российских», ради избавления церкви «от страха и вредных перемен» (проповедь 13 сентября 1762 г.). В составленном им манифесте Екатерины II устранение императора Петра III объяснялось тем, что в его правление нависла угроза над православной церковью: «Всем прямым сынам Отечества Российского явно оказалось, какая опасность всему Российскому государству начиналась самым делом, а именно: закон наш православный греческий первее всего восчувствовал своё потрясение и истребление своих преданий церковных, так что Церковь наша Греческая крайне уже подвержена оставалась последней своей опасности переменою древнего в России православия и принятием иноверного закона». 22 сентября 1762 г. Димитрий совершил в Москве чин коронования императрицы Екатерины II и 8 октября того же года был возведён в сан митрополита Новгородского и Великолуцкого с пожалованием во владение 1 тыс. крестьян. Часто служил и проповедовал в дворцовых храмах, был постоянным советником императрицы в духовных делах. Екатерина II ценила проницательный ум архиерея, богословские и церковно-исторические познания, стремление к духовному просвещению. Димитрий часто получал от императрицы различные «чрезвычайные» поручения, касавшиеся как церковной, так и административной сферы. В вопросе о секуляризации церковных имуществ всецело встал на сторону правительства.