С сентября 1926 года — секретарь комитета ВЛКСМ Тысяцкой волости Новоторжокского уезда, инспектор политпросвета УОНО и заместитель секретаря волостного комитета ВКП(б).
В органах госбезопасности с октября 1928 года — красноармеец, командир отделения 5-го дивизиона войск ОГПУ в Нижнем Новгороде. С января 1931-го служил в военной контрразведке ОГПУ: помощник уполномоченного, уполномоченный, оперуполномоченный Особого отдела полпредства ОГПУ-УНКВД по Горьковскому краю.
В ноябре 1937 года переведен на Украину — начальником отделения 5-го отдела ГБ Управления НКВД по Киевской области. В мае 1938-го назначен начальником 11-го отделения 3-го отдела ГБ, с сентября 1939 года — начальник 4-го отделения Особого отдела ГУГБ НКВД Киевского особого военного округа, с марта 1940-го до июня 1941 года — замначальника Особого отдела ГУГБ НКВД по Северо-Кавказскому военному округу.
С 22 августа по 26 сентября 1941 года — замначальника 1-го отдела Управления особых отделов НКВД СССР. С 26 сентября по 17 декабря 1941-го — начальник Особого отдела НКВД 7-й отдельной армии. Начальник Особого отдела НКВД Волховского фронта — с 17 декабря 1941-го по 2 мая 1942 года, непродолжительно — с мая по июнь 1942-го — Ленинградского фронта, а потом его снова перебросили руководить Особым отделом НКВД и УКР Смерш Волховского фронта — до 15 февраля 1944 года.
С марта 1944 года руководил УКР Смерш Карельского фронта.
Начальник УКР Смерш по Резервному фронту — с 30 декабря 1944-го до 20 апреля 1945 года. В дальнейшем возглавлял Отдел КР Смерш по Приморской группе войск 1-го Дальневосточного округа с 20 апреля до 5 августа 1945 года. Затем возглавил УКР Смерш по 1-му Дальневосточному фронту и Приморскому военному округу.
С 5 сентября 1946-го до августа 1949 года — начальник отдела КР МГБ по Западно-Сибирскому военному округу. В 1949–1950 годах — слушатель курсов высшего руководящего состава Высшей школы МГБ СССР.
После окончания учебы вернулся на предыдущую должность, где проработал до 1953 года. Заместитель начальника Отдела КР — Особого отдела МВД по Приволжскому военному округу — с 28 апреля 1953-го до марта 1954 года, затем — замначальника Особого отдела КГБ при СМ СССР по Приволжскому военному округу — до 9 марта 1955 года.
Уволен из КГБ по болезни.
Комиссар госбезопасности 3-го ранга Д. И. Мельников был направлен начальником Особого отдела НКВД СССР Волховского фронта (ВФ), созданного по директиве Ставки ВГК с 17 декабря 1941 года за счет сил левого крыла Ленинградского фронта (ЛФ) и резервов Ставки ВГК в ходе обороны городов Ленинградской области Волхова и Тихвина. Возглавил фронт генерал армии К. А. Мерецков. Но 23 апреля этот фронт неожиданно расформировали. Однако, как писал в своих мемуарах командующий ЛФ генерал-лейтенант М. С. Хазин,