Тайный советник (с 21.04.1817), сенатор. Сын П.А. Бутурлина и графини Марии Романовны Воронцовой (1737-1765), дочери генерал-аншефа и сенатора графа Р.И. Воронцова. Правнук Б.И. Куракина, внучатый племянник А.Б. Куракина, племянник А.Р. Воронцова и С.Р. Воронцова, двоюродный племянник А.М. Голицына (1718-1783) и Д.М. Голицына, троюродный брат А.Б. Куракина, троюродный племянник И.А. Воронцова. Его восприемницей была императрица Екатерина II, пожаловавшая его при самом крещении сержантом гвардии. Вскоре мальчик уехал в Мадрид вместе с отцом. После смерти матери воспитывался сначала под руководством А.Р. Воронцова, а затем поступил в С.-Петербургский кадетский корпус. По окончании курса в 1785 Бутурлин был определён адъютантом к Г.А. Потёмкину и мог бы сделать блестящую военную карьеру, но, питая нелюбовь к военной службе, перешёл через несколько недель на гражданскую, в Коллегию иностранных дел, а скоро и совсем вышел в отставку. В 1793 он женился на своей троюродной сестре, графине Анне Артемьевне Воронцовой (1777-1854) и поселился в Москве.
19.03.1797 произведён в статские советники, 25.08.1801 - в действительные статские советники. 31.05.1803 назначен на вновь учреждённый пост чрезвычайного посланника при папском дворе, но ещё до отъезда Бутурлина из России последовал внезапный разрыв дипломатических сношений между петербургским и римским дворами. В 1809 Бутурлину было предложено занять пост начальника русской миссии в Штутгарте, но он отклонил это предложение. Позже он был назначен директором Императорского Эрмитажа, где и числился до 1817, не принимая в действительности никакого участия в управлении музеем. В 1817 расстроенное здоровье (астма) побудило Бутурлина уехать из России: он поселился во Флоренции и провёл там остаток своей жизни. В доме Бутурлиных появилась первая в Италии русская православная церковь. Умер Бутурлин в звании сенатора (с 21.04.1817) от отёка лёгких. Похоронен на Греческом православном кладбище при православной греческой церкви Успения Божией Матери в Ливорно.
Граф Бутурлин известен был в свое время глубокой и разносторонней ученостью, иностранцев удивлял своим энциклопедическим всеведением. Художница Э.Л. Виже-Лебрен писала о Бутурлине после знакомства с ним в 1800: «…Граф Бутурлин был одним из самых выдающихся людей по своей учёности и знаниям. Он говорил с удивительной легкостью на многих языках, а разнообразнейшие сведения придавали его разговору чрезвычайную прелесть, но это его преимущество нисколько не мешало ему отменно держаться просто, равно как и принимать радушно всех своих гостей. Я была поражена, слушая рассказы его чуть ли не всех городах Европы и о достопримечательностях, в оных содержащихся, про кои говорил он как человек, долго живший там. На самом же деле граф никогда не выезжал из России». Более всего Бутурлин стал известен он как библиограф и библиофил. Московская библиотека Бутурлина вместе с оранжереями, музеем и садом находились на Яузе в Немецкой слободе, рядом с дворцовым садом. Один из английских путешественников, Кларк, писал об этом доме: «Библиотека, ботанический сад и музей графа Бутурлина замечательны не только в России, но и в Европе». Этот же путешественник замечает, что граф сам ходил за тропическими растениями, что он в особенности изучил тайну их поливки. В его библиотеке было собрано почти все, что было издаваемо с 1470 до конца XVI столетия первыми типографами, Альдами, Эльзевирами и др., — была собственноручная переписка Генриха IV с его министром Сюлли и т.п. Эта переписка находилась в первой его библиотеке, которая погибла при пожаре 1812. Вторую библиотеку он начал составлять по переселении во Флоренцию. Это собрание продано было потом в Париже с аукциона. Для него составлена была опись, напечатанная во Флоренции в 1831, потом полнее, в 3-х частях, в Париже в 1839—1840, при продаже. Также собирал западноевропейскую живопись, гравюры и миниатюры.
Имел детей: Петра Дмитриевича (1794-1853), дипломата, секретаря русской миссии в Риме в 1822-1825; Марию Дмитриевну (1795-1879), замужем за тосканским графом Диньи; Павла Дмитриевича (1797-умер во младенчестве); Александра Дмитриевича (1800-умер во младенчестве); Бориса Дмитриевича (1802-умер во младенчестве); Елизавету Дмитриевну (1804-1879), замужем за ломбардским маркизом Соммариной; Софью Дмитриевну (1806-1813); Михаила Дмитриевича (1807-1876), надворного советника, военного историка; Елену Дмитриевну (1813-1881), замужем за ломбардским князем Видониа Сорреджиано.
