Родился в семье священника. Жена — Надежда Степановна (умерла в 1903). Дети — Борис, Глеб, Нина, Екатерина.
Окончил Симбирскую духовную семинарию (1874), Казанскую духовную академию (1878) со степенью кандидата богословия (тема диссертации: «Спартанская реформа при царях Агисе III и Клеомене III»). Магистр богословия (1887; тема диссертации: «Начало христианства у готов и деятельность епископа Ульфилы»). Доктор церковной истории (1902; тема диссертации: «Томский раскол. Исторический очерк с 1834 по 1880 годы»).
Занимаясь научно-педагогической деятельностью в Казани, специализировался на древней истории. Переехав в Томск, занялся исследованиями в области церковной истории этого региона (в первую очередь, истории старообрядчества, которой была посвящена его докторская диссертация), опубликовав ряд трудов на эту тему.
По воспоминаниям современников, будучи добрым пастырем, обладая высоко-христианскими качествами своей благородной души, любвеобильного чуткого сердца и мягкого характера, о. Димитрий на всех местах своего служения пользовался глубоким уважением и искреннею преданностью как своей паствы, так и той среды, в которой проходила его служебная деятельность.
В 1920 пострижен в монашество и хиротонисан во епископа Омского с возведением в сан архиепископа. Был выслан в Томскую губернию, где служил в Покровском храме в селе Петухово, некоторое время был настоятелем Градо-Томской Сретенской церкви. С 1923 — архиепископ Томский. Существует информация о его участии в обновленческом движении (до 1924) — во всяком случае, он стремился не обострять отношений с обновленцами. В 1926 Заместитель Патриаршего местоблюстителя митрополит Петр (Полянский), находившийся в заключении, включил его в число трёх архиереев, которым он поручал временное управление церковью (эта «коллегия» так и не приступила к работе).
В условиях частой смены церковного руководства 1-3 марта 1927 объявил Томскую епархию автокефальной. Был запрещён в служении Заместителем Патриаршего Местоблюстителя, архиепископом Угличским Серафимом (Самойловичем). Запрещению не подчинился и вошёл в юрисдикцию Временного высшего церковного совета — лояльной советской власти группы, которая, по имени её основателя архиепископа Григория (Яцковского), в церковно-исторической литературе именуется «григорианским расколом». 9 июня 1928 избран, 10 июня 1928 провозглашён митрополитом Томским. По некоторым данным, участвовал в диспуте с Анатолием Луначарским. Скончался вне общения с Патриаршей церковью.
Жил на квартире своего зятя, профессора Миролюбова. Был похоронен за алтарём Старо-Кафедрального Благовещенского собора Томска, а после разрушения этого храма перезахоронен на Южном кладбище.