Родился 18 сентября 1913 г. в д. Ивановка Сапожковского у. Рязанской губ. (ныне Сараевский р-н) в крестьянской семье. Отец, Сергей Гаврилович, умер в 1923 г. Дмитрий получил неполное среднее образование, с четырнадцати лет начал работать. В 1931 г. окончил курсы мотористов. Работал на стройках Москвы, Донбасса, Приморского края.

Служил в Красной Армии с 1934 по 1936 гг. До войны работал в сельхозартели им. Ленина в Муравлянском р-не.

В боях Великой Отечественной войны с июля 1941 г., воевал на Западном, Степном, Воронежском и 1-м Украинском. Окончил курсы мл. лейтенантов.

В первом же бою на подступах к Москве командир танка Фоломеев подбил вражеский танк и уничтожил бронетранспортер с пехотой. Был ранен. По выздоровлении направлен в Магнитогорскую высшую бронетанк. школу, которую окончил в мае 1942 г. Член ВКП(б) с 1943 г.

Командир взвода 306-го танк. батальона (106-я танк. бригада, 12-й корпус, 3-я танк. армия, Воронежский фронт) лейтенант Фоломеев отличился в боях при освобождении Воронежской обл.

14 января 1943 г. Т-34 Фоломеева в с. Михайловка таранил танк врага, уничтожил 3 противотанковые орудия, 10 пулеметов, 4 автомашины и до 40 офицеров и солдат противника. В течение 6 часов удерживал мост до подхода главных сил. Участвовал в захвате штаба итальянской альпийской дивизии, знамени и документов, взял в плен 22 солдата, захватил конный обоз и 30 подвод, несколько складов.

Танковая бригада, в составе которой воевал взвод Фоломеева, с ходу овладела совхозом «Красный молот», расположенным под г. Россошью. Танк лейтенанта Фоломеева ворвался в глубину опорного пункта врага и уничтожил 2 вражеских орудия с расчетами, 3 противотанковые орудия, 10 пулеметов, 3 дзота противника, 4 автомашины, до 40 солдат и офицеров. Танк был подбит, но раненый Фоломеев с экипажем продолжали вести бой до подхода наших войск, бойцам удалось разогнать факельщиков, стремившихся поджечь дом, в котором находились женщины и дети. 17 января 1943 г. в бою за населенный пункт Татарино (Воронежская обл.) лейтенант Фоломеев уничтожил 4 немецких танка и 4 мотоцикла.

Звание Героя Советского Союза присвоено 21 апреля 1943 г.

Танкисты Фоломеева в числе первых преодолели вражескую оборону на Тельтов-канале и ворвались в Берлин. Был трижды ранен.

День Победы Фоломеев встретил в госпитале после очередного ранения. В 1950 г. окончил Высшую офицерскую автомобильную школу. В 1954 г. майор Фоломеев демобилизован.

Жил в г. Бутурлиновка Воронежской обл., затем в г. Москве.

Награжден орденами Ленина, Красного Знамени, медалями.

Умер 4 июля 1954 г., похоронен на Введенском кладбище.

Одна из улиц г. Россошь названа именем Героя, в местном музее хранятся материалы о нем.