Дмитрий Семенович Николаев родился 7 ноября 1919 года в деревне Даниловка Епифанского уезда Тульской губернии (ныне Куркинского района Тульской области). С 1933 года жил в Москве. В 1936 году окончил 7 классов, в 1937 году – школу фабрично-заводского ученичества (ФЗУ). Работал фрезеровщиком на заводе "Калибр" в Москве. В 1939 году окончил аэроклуб. С ноября 1939 года служил в Красной Армии. В 1940 году окончил Борисоглебскую военную авиационную школу лётчиков. Служил в ВВС Ленинградского военного округа.

     

С июня 1941 года младший лейтенант Д. С. Николаев – на фронте в должности лётчика 158-го ИАП, летал на И-16. В октябре 1941 года направлен в 123-й ИАП (22 ноября 1942 года преобразован в 27-й Гвардейский ИАП); был лётчиком, командиром звена, заместителем командира эскадрильи. Летал на И-16, Як-1 и Як-7.

   

27 января 1943 года командир звена 27-го Гвардейского истребительного авиационного полка (7-й истребительный авиационный корпус, Войска ПВО территории страны) гвардии старший лейтенант Д. С. Николаев был тяжело ранен в воздушном бою и отправлен в госпиталь. К тому времени он совершил 343 боевых вылета, провёл 58 воздушных боёв, в которых сбил 7 самолётов противника лично и 5 в составе группы. После лечения вернулся в полк, но на боевые задания уже не летал. Указом Президиума Верховного Совета СССР от 8 сентября 1943 года удостоен звания Героя Советского Союза с вручением ордена Ленина и медали "Золотая Звезда".

     

В 1944 году он окончил курсы усовершенствования при Липецкой высшей офицерской школе ВВС. С апреля 1944 года гвардии капитан Д. С. Николаев был помощником командира по воздушно-стрелковой службе 404-го ИАП ПВО.

Участник советско-японской войны 1945 года в должности помощника командира по воздушно-стрелковой службе того же 404-го ИАП. На боевые задания не летал.

     

После окончания войны до 1950 года продолжал службу в авиации ПВО помощником командиров истребительных авиаполков (на Дальнем Востоке и Московском округе ПВО). В 1951 году окончил Липецкие высшие офицерские лётно-тактические курсы ВВС. В 1951-1954 годах был начальником воздушно-стрелковой службы истребительной авиадивизии в Московском районе ПВО.

     

Участник войны в Корее с апреля 1952 года по июль 1953 года в составе Управления 133-й ИАД (начальник воздушно-стрелковой службы). На боевые задания не летал.

     

С 1954 года  Д. С. Николаев занимал должность помощника командира истребительной авиадивизии ПВО по огневой и тактической подготовке (город Ярославль). 

С июля 1960 года гвардии полковник Д. С. Николаев находился в запасе. В 1961-1966 годах работал инженером на оборонных предприятиях, в 1966-1985 годах – инженером-конструктором в ОКБ А. Н. Туполева. Жил в Москве. Умер 9 октября 1993 года. Похоронен на Троекуровском кладбище в Москве.