Дмитриев родился 3 января 1939 года в Саратове. Окончив студию при Саратовском драмтеатре, играл в этом театре. В 70-х переехал в Рязань, где долгое время служил в областном театре драмы.
В его актерской копилке - более ста ролей. В их числе - Кот Леопольд, Карлсон, Котофей Иванович, шут Косме, Лыняев в постановке "Волки и овцы" по Островскому, Тихон Молоков в спектакле "На золотом дне" - по пьесе Мамина-Сибиряка.
Экранный дебют - "Пять встреч" 1965 года. Самая известная роль - следователь Николай Павлович в детективе "Без права на пощаду". Дмитриев озвучивал мультфильмы, был заведующим художественно-постановочной частью ВИА "Радуница" и конферансье, автором нескольких стихотворных сборников.