В 19 лет начал играть в петербургском «Локомотиве», выступавшем в первом дивизионе. В августе 2000 года Васильев перешел в другой клуб первого дивизиона — ярославский «Шинник», в составе которого в 2001 году, заняв первое место, завоевал путевку в Премьер-лигу.

9 июля 2002 года в домашнем матче против «Анжи» Васильеву, выступавшему тогда на позиции защитника, покорилось уникальное достижение — он стал первым защитником в истории российских чемпионатов, которому удалось сделать хет-трик. Причем три гола он забил всего за 7 минут — с 75-й по 82-ю.

В 2006 году Дмитрий Васильев перешел в казанский «Рубин», за который отыграл три неполных сезона.

В августе 2008 года Васильев вернулся в «Шинник», но не провел за команду ни одного матча. В апреле 2009 года из-за хронических травм был вынужден завершить профессиональную карьеру.

Всего в Премьер-лиге Васильев провел 109 игр и забил 7 мячей. Сыграл один матч за сборную России.

В Академии «Зенита» работает с 2010 года.