В 1937 году поступил в Ленинградский военно-механический институт (ЛВМИ). Во время Великой Отечественной войны 1 июля 1941 года студент пятого курса института Дмитрий Козлов добровольцем записался в Ленинградское народное ополчение. Принимал участие в боях под Лугой, был ранен, после выздоровления зачислен в Красную Армию. Участвовал в боях на Ленинградском и Волховском фронтах в составе 71-ой отдельной морской стрелковой бригады. В боях был трижды тяжело ранен, в последний раз в июне 1944 года во время Выборгской наступательной операции (лишился левой руки). В сентябре 1944 года по инвалидности был демобилизован.

Вернулся в институт и окончил его в декабре 1945 года. Затем до 1946 года обучался на специальных курсах при Московском высшем техническом училище имени Баумана.

С июня 1946 года работал в составе Технической комиссии по изучению трофейной ракетной техники в Германии, где познакомился с С.П.Королевым. С мая 1946 года - инженер-конструктор, начальник группы завода № 88 Министерства вооружения СССР (г. Калининград Московской области). Занимался разработкой управляемых баллистических ракет дальнего действия.

С июня 1951 года работал в ОКБ-1 Государственного комитета Совета Министров СССР по оборонной технике, (г. Калининград Московской области), где стал ведущим конструктором баллистической ракеты Р-5 и первой в мире межконтинентальной баллистической ракеты Р-7. Легендарная «семерка» стала не просто очередной ракетой, это был прорыв Советского Союза в космос, открывший дорогу для орбитальной и пилотируемой космонавтики. Положено первое звено в создание ракетно-ядерного щита страны.

С апреля 1996 года Д.И.Козлов – Генеральный директор - Генеральный конструктор ГНПРКЦ "ЦСКБ-Прогресс", созданного на базе много лет возглавляемого им ЦСКБ и ряда профильных предприятий. В 2003 году вышел на заслуженный отдых, при этом назначен Почётным Генеральным конструктором ГНПРКЦ "ЦСКБ-Прогресс".

За более чем сорок лет работы под руководством Д.И. Козлова специалистами ГНПРКЦ «ЦСКБ–Прогресс» в сотрудничестве со многими предприятиями различных отраслей промышленности создано и сдано в эксплуатацию 8 типов ракет-носителей и 26 ракетно-космических комплексов различного назначения. Дмитрий Ильич Козлов – видный учёный, автор более 150 научных трудов и изобретений в области проектирования автоматических космических комплексов и систем.

Жил в городе Самаре.

Скончался 7 марта 2009 года. Похоронен в Самаре на Аллее Героев Страны Городского кладбища.