С 1920 года выступал в составе полупрофессиональной местной труппы и Украинского народного театра Славянского отдела народного образования. В 1923 году на гастроли в Славянск прибыл недавно созданный передвижной Второй театр УССР имени Франко. Талантливого актёра-любителя пригласили поступить на профессиональную сцену.
Театр обосновался в Харькове, где Милютенко и дебютировал в 1923 году.
Когда в 1926 году театр имени Франко был переведен в Киев, Милютенко остался в Харькове и поступил на сцену переехавшего в Харьков театра Леся Курбаса «Березиль».
Здесь под руководством великого режиссёра сформировалась творческая индивидуальность актёра Милютенко: Пивень («Диктатура» Микитенко, 1930) и др.
После разгрома театра «Березиль» в 1933—1934 гг., Милютенко некоторое время оставался в труппе Украинского драматического театра имени Шевченко в Харькове.
В 1936 году вместе с Наталией Ужвий, Амвросием Бучмой был приглашён в Украинский драматический театр имени Франко и переехал в Киев.
В театре имени Франко Дмитрий Милютенко сразу же получил роль великого инквизитора («Дон Карлос» Шиллера, 1936) и стал одним из самых востребованных актёров театра.
Первоначально актёр воспринимался только как комедийный, остро характерный, ему предлагали роли в основном негативных персонажей, но постепенно образы Милютенко приобрели утонченность и благородство, он создал ряд выдающихся трагедийных ролей: Тарас Шевченко («Петербургская осень» Ильченко, 1954), шут («Король Лир» Шекспира, 1959), Тарас Шевченко («Пророк» Кочерги, 1961).
В 1946—1966 гг. преподавал в Киевском театральном институте имени И. Карпенко-Карого.
Награжден орденом Ленина, медалями.
Умер 25 января 1966 года в Ташкенте, где находился на съёмках фильма «Родник для жаждущих», от инфаркта. Кинорежиссёр Юрий Ильенко посвятил этот фильм памяти артиста. Похоронен в Киеве на Байковом кладбище.
В 1966 году в Киеве в честь Милютенко была названа улица.
15 ноября 1985 года в Киеве на фасаде дома по улице Маяковского, 2/1 (ныне — улица Ольгинская), где с 1944 по 1966 год жил актер, была установлена мемориальная доска (бронза, гранит; барельеф; скульптор Н.М. Дерегус, архитектор М.В. Дерегус).
ВикипедияКино-Театр.ruДмитрий МилютенкоГалина Терещенко «Актер, имевший мужество принять... ненависть зрителя»Сайт Байкового кладбища