Дмитрий Дмитриевич Шолохов родился 16 октября 1920 года в городе Вязьме Смоленской губернии, ныне Смоленской области, в семье рабочего. После семилетки начал самостоятельную трудовую жизнь. Без отрыва от производства окончил вечернюю школу рабочей молодёжи. Работал шофёром. 

   

С августа 1938 года служил в Красной Армии, в армию пошел добровольцем. В 1939 году окончил Саратовское танковое училище. С декабря 1939 года – командир танка Т-28 20-й танковой бригады Ленинградского военного округа. Во время советско-финской войны 1939-1940 годов младший лейтенант Шолохов участвовал в боях на Карельском перешейке. С июля 1940 года – командир взвода танков Т-28 2-го танкового полка 1-й Краснознамённой танковой дивизии Ленинградского военного округа (Псков).

На фронтах Великой Отечественной войны Д. Д. Шолохов сражался с июня 1941 года. В начале войны дивизия была переброшена в Карелию и участвовала в боях против финской армии. С августа 1941 года он командовал взводом 51-го отдельного танкового батальона, а с декабря 1941 года – взводом 4-го отдельного танкового батальона в 7-й отдельной армии на Ладожско-Онежском перешейке. С марта 1942 года Д. Д. Шолохов – командир взвода танков Т-34 349-го отдельного танкового батальона 158-й танковой бригады. Участвовал в боях на Юго-Западном фронте.

Командир танкового взвода 158-й танковой бригады 13-го танкового корпуса 21-й армии Юго-Западного фронта старший лейтенант Дмитрий Дмитриевич Шолохов отличился в Воронежско-Ворошиловградской оборонительной операции летом 1942 года. 30 июня 1942 года в районе населенного пункта Нестерное (Волчанский район Харьковской области Украинской ССР) его взвод стоял в засаде не предполагаемом пути следования гитлеровских частей. Обнаружив танковую колонну врага, экипаж Шолохова, умело используя особенности местности, неожиданным и метким огнем уничтожил из засады 24 вражеских танка. Позднее, в тот же день в бою за село Волчья Александровка, экипажем танка Д. Д. Шолохова было уничтожено 10 автомашин и до 100 солдат врага. 

За образцовое выполнение заданий командования и проявленные мужество и героизм на фронте борьбы с немецко-фашистскими захватчиками указом Президиума Верховного Совета СССР от 2 декабря 1942 года старшему лейтенанту Дмитрию Дмитриевичу Шолохову присвоено звание Героя Советского Союза с вручением ордена Ленина и медали «Золотая Звезда».

Летом 1942 года Д. Д. Шолохов назначен помощником начальника штаба 158-го танкового полка по оперативной работе, участвовал в Сталинградской битве. С марта 1943 года он был заместителем начальника штаба 36-й гвардейской танковой бригады 4-го гвардейского механизированного корпуса Южного фронта. 

В декабре 1945 года Д. Д. Шолохов окончил Военную академию бронетанковых и механизированных войск Красной Армии имени И. В. Сталина. Много лет служил в Главном разведывательном управлении Генерального штаба Вооружённых Сил СССР. С января 1976 года полковник Д.Д. Шолохов находился в запасе по болезни.

Жил в Москве. 

Д. Д. Шолохов скончался 27 июня 1983 года. Похоронен на Бабушкинском кладбище. Мемориальная доска в честь героя установлена в Москве.