Священномученик Димитрий родился 5 февраля 1869 года. Родом он из села Кузьминка Серпуховского уезда Московской губернии, из семьи священника Иоанна Остроумова. В 1899 году он окончил Московскую духовную семинарию и был направлен учителем в московскую церковноприходскую школу. В 1906 году его рукоположили во священника к Троицкой церкви села Минеево Дмитровского уезда, а в 1909 году назначили настоятелем Благовещенской церкви в селе Федосьино Московского уезда. Там он и прослужил до ареста, за долгую беспорочную службу возведённый в сан протоиерея.

Паства знала его как ревностного и благочестивого пастыря. Супруга священника Олимпиада Васильевна хорошо разбиралась в лечении травами, и крестьяне со всей округи шли к ней со своими недугами. Позже это поставят в вину ему самому, хотя он лишь помогал жене.

Арестовывали его многократно, и каждый раз обвинение рассыпалось. В 1919 году ЧК взяла священника за уклонение от трудовой повинности, но вскоре отпустила: он имел освобождение по болезни. В 1930 году его обвинили в хранении валюты и оружия — доказать не смогли и освободили; в том же году осудили за невыполнение твёрдого задания, но приговор отменили, поскольку задание было выполнено, пусть и с опозданием. В 1932 году, продержав полтора месяца в заключении по обвинению в агитации, снова отпустили.

С 1936 года районное отделение НКВД начало собирать сведения о нём через осведомителей. Сообщали разное: что он перевёл хозяйство на дочь, чтобы не платить налогов; что советовал кому-то не платить налогов и не идти в колхоз; что к нему приезжает знакомая, преподавательница иностранных языков, и знакомство это будто бы связано со шпионством. В газету отправили даже коллективный донос — о доходах от просфор и о «гомеопатии подпольного характера».

В ночь на 8 августа 1937 года отца Димитрия арестовали и заключили в Таганскую тюрьму. На допросах он подтвердил только то, что было правдой: знакомую он знает, но политических разговоров с ней не вёл; лекарство односельчанам действительно давал, а плату брал по стоимости лекарства. Всё остальное отверг. Свидетелей вызывали в НКВД, следователь записывал что-то своё и давал подписать, не читая. 25 августа священника допросили в последний раз, и он снова не признал за собой никакой вины.

28 августа тройка НКВД вынесла приговор. 30 августа 1937 года протоиерея Димитрия Остроумова расстреляли и похоронили в безвестной общей могиле на Бутовском полигоне под Москвой.

Священномучеников принято изображать в облачении, с крестом в руке; узнают образ по надписанию имени. Молятся ему о спокойствии, когда обвиняют без вины, о болящих и о крепости веры под давлением.