Сын велогонщика Владислава Викторовича Нелюбина.

Окончил СПбГАФК имени П. Ф. Лесгафта. Выступал за ВДФСО профсоюзов (Ленинград). 12-кратный чемпион СССР, 10-кратный призёр первенств СССР (1988-91).

На Олимпийских играх в 1988 году в Сеуле в командной гонке преследования 17-летний Нелюбин завоевал золотую медаль (вместе с Вячеславом Екимовым, Артурасом Каспутисом и Гинтаутасом Умарасом), получив звание заслуженный мастер спорта СССР.

Участник Олимпийских игр (1992). Чемпион мира (1990, 1991), призёр чемпионатов мира (1989, 1991). Награждён орденом «Знак Почёта» (1988).

Завершил спортивную карьеру в 1997 году, не выиграв больше ни одного крупного соревнования.

Трагическая гибель

В новогоднюю ночь 2005 года Дмитрий Нелюбин был убит четырьмя (по другим данным, шестью) выходцами с Кавказа, получив ножевые ранения в брюшную полость. Национальность убийц спровоцировала несколько выступлений русских националистов.

Дмитрий Нелюбин был похоронен 4 января 2005 года на Богословском кладбище Санкт-Петербурга.

Расследование убийства

В конце ноября 2008 года были обнаружены двое участников преступления. А вскоре найдены и задержаны в разных городах все четверо. Двое преступников являлись студентами 1-го медицинского института Санкт-Петербурга[1]. Убийцу Дмитрия Нелюбина приговорили к 18 годам тюремного заключения с отбыванием в колонии строгого режима