Захопившись ботанікою, у 1898 році залишив роботу викладача технічного училища та став ученим хранителем, а згодом старшим ботаніком Ботанічного музею Академії наук, де пропрацював до кінця життя.
Литвинов був активним мандрівником, брав участь у багатьох експедиціях. Першовідкривач (разом з В. Я. Цингером) ботанічного феномену урочища Галич гора (1882).
Висунув гіпотезу про реліктове походження соснових лісів на крейдяних горах європейської частини Росії.
Наукові праці
Литвинов Д. И. Геоботанические заметки о флоре Европейской России. // Бюллетень Московского общества испытателей природы. 1890. № 4. С. 322–434.
Литвинов Д. И. О реликтовом характере флоры каменистых склонов в Европейской России. // Труды Ботанического музея Академии наук. 1902. Вып. 1. С. 76-109.
Литвинов Д. И. Библиография флоры Сибири. // Труды Ботанического музея Императорской Академии наук; вып. 5. СПб.: Типография Академии наук, 1909.
Литвинов Д. И. Следы степного послеледникового периода под Петроградом. // Труды Ботанического музея Академии наук. 1914. Т. 12. С. 246–269.
Сосудистые растения Республики Мордовия (конспект флоры): монография / под ред. Т. Б. Силаевой. — Саранск : Изд-во Мордов. ун-та, 2010. — С. 300. — ISBN 978-5-7103-2167-6.
С.В. Саксонов, С.А. Сенатор. Вклад Дмитрия Ивановича Литвинова в познание флоры Самарско-Ульяновского Поволжья (К 155-летию со дня рождения) // Известия Самарского научного центра РАН : журнал. — Самара, 2009. — Т. 11, № 1 (4). — С. 812-815.