Fils de Sergueï Nikolaïevitch Arseniev (1801-1860) et de Nadejda Vassilievna Kamynina (1805-1855), fille d'un écrivain et industriel du gouvernement d'Orel. Trois frères et une sœur composaient la famille de Dmitri Sergueïevitch Arseniev : Vassily Sergueïevitch Arseniev (1829-1915), un théologien, Nikolaï Sergueïevitch Arseniev (1831-1903), avocat et sénateur, Evguenia Sergueïevna Arsenievna (1833-1873), elle épousa le colonel Nikolaï Vassilievitch Chenchinym, Alexandre Sergueïevitch Arseniev (1837-1917), commissaire dans la région du Daghestan, Lev Sergueïevitch Arseniev (1839-1842), avocat.
Mariage
Dmitri Sergueïevitch Arseniev épousa Varvara Vladimirovna Skariatina, fille du gouverneur de Novgorod Vladimir Iakovlevitch Skariatine.
Dmitri Arseniev étudia au Corps naval des Cadets, le il fut promu au grade de garde-marine (grade en vigueur dans la Marine impériale de Russie de 1716-1917), il servit à bord de la frégatePostoïnstvo placée sous le commandement du capitaine-lieutenant A.H. Sofiano, il navigua à bord du Strela commandé par Fiodor Iakovlevitch Brioummer. Le , en qualité d'officier, il fut inscrit à l'Académie navale Nikolaï Kouznetsov (École supérieure de la Marine impériale de Russie enseignant la géodésie, le calcul intégral, le calcul différentiel, l'astronomie, l'hydrographie, la météorologie, la géométrie descriptive, la chimie, la mécanique, géographie, l'histoire navale et le droit international, créée le ). En 1852, à bord de la corvetteKnyaz Varchavski placée sous le commandement du contre-amiralIvan Nikolaïevitch Izylmetev (1813-1871), il entreprit une expédition en mer Baltique et en mer du Nord. Le , affecté sur la corvette Navarin, il passa l'hiver en mer (1853-1854).
Au cours de la Guerre de Crimée, Arseniev commanda un groupe de quatre canonnières basées au port de Riga, il effectua différentes opérations militaires sur la Dvina occidentale, en 1855, il reçut son affectation afin de servir dans un équipage de la flotte de la garde. En 1856, il servit sous le commandement de l'illustre défenseur de Sébastopol, le capitaine 1er rang Mikhaïl Perelechine, commandant de la corvette Boyrine. En , commandant de la corvette Vepr, il navigua en mer Baltique et en mer Noire. Le , l'Ordre de Saint-Stanislas (3e classe) lui fut attribué.
Le , sous les ordres du capitaine-lieutenant Alexandre Egorovitch Kroun, Dmitri Sergueïevitch Arseniev fut envoyé à Londres afin de superviser la construction du Morj. Sur ce navire, il fut le principal adjoint de Kroun, ils appareillèrent de Londres et prirent la direction de l'Afrique et de l'Asie, leur voyage prit fin à Nikolaïevsk-sur-l'Amour. Le , pour l'accomplissement de ce voyage il fut élevé au grade lieutenant de marine. Le 19 juin de la même année, il fut nommé capitaine de pavillon, il servit sous les ordres du contre-amiral Alexeï Alexandrovitch Popov, une expédition le mena au Japon, en Russie d'Amérique puis à San-Francisco. Il passa l'isthme de Panama et se rendit à New York.
Le , Dmitri Sergueïevitch Arseniev lui fut confié le poste de chef de l'Académie navale Nikolaïev (école supérieure de la Marine impériale de Russie créée le ) et directeur du Collège de la Marine. Au cours de sa gestion de l'Académie navale, il la transforma progressivement en Corps de la Marine. Arseniev fut élevé au grade de vice-amiral le . Le , il fut admis à siéger au Conseil de l'Amirauté, en outre, le titre d'adjudant-général lui fut attribué. À l'Académie navale de Nikolaïev, il se vit remettre l'Ordre de Saint-Vladimir (2e classe) (), le , l'Ordre de l'Aigle blanc, le , il fut décoré de l'Ordre de Saint-Alexandre Nevski.
À l'occasion de ses 50 ans de service dans la Marine impériale de Russie, le , Arseniev fut promu amiral. Le 1er avril1901, il fut admis à siéger au Conseil d'État. Après la réforme du Conseil d'État en 1906, il siégea au conseil d'administration et fut un membre du parti de droite (1909). En 1910, à l'occasion de ses 60 ans de service dans la marine, il fut décoré de l'Ordre de Saint-Vladimir (1re classe).
Décès et inhumation
Dmitri Arseniev décéda le jour de son anniversaire, le à Tsarskoïe Selo. Il fut inhumé au cimetière de Kazan.
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