Дмитрий Сергеевич Арсеньев, избранный почетным членом в день открытия Императорского Православного Палестинского Общества 21 мая 1882 года, занимал должности члена Совета (1889), вице-председателя (1901) и почетного вице-председателя (1904) Императорского Православного Палестинского Общества. 

Генерал-адъютант, адмирал, участник Среднеазиатских походов, писатель, свыше 20 лет воспитатель сыновей Государя Императора Александра II Великих Князей Сергея и Павла Александровичей, деятель ИППО — Дмитрий Сергеевич Арсеньев скончался в день своего рождения 14 сентября (по старому стилю) 1915 года в Царском Селе.

17 октября 1860 года он был вместе с капитан-лейтенантом А. Е. Кроуном командирован в Лондон, где принимал построенную винтовую лодку «Морж». На этой лодке, будучи старшим помощником капитана, совершил в 1860–1862 годах плавание из Лондона вокруг Африки и Азии, дойдя до порта Николаевска-на-Амуре. В январе 1862 года за отличное совершение этого плавания был произведен в капитан-лейтенанты. 19 июня того же года назначен флаг-капитаном при начальнике эскадры, контр-адмирале А. А. Попове и совершил плавания в Японию на клипере «Гайдамак», в русские владения на Аляске на клипере «Абрек» и в Сан-Франциско на корвете «Калевала».

Во время русско-турецкой войны 1877–1878 годов находился с Великим Князем Сергеем Александровичем в действующей армии, при главной квартире Государя Императора и в Рущукском отряде Наследника Цесаревича Александра Александровича.

27 июня 1882 года он был назначен начальником Николаевской Морской Академии и директором Морского училища. За время его управления Морское училище постепенно было преобразовано в Морской корпус. В 1895 году при Николаевской Морской Академии были учреждены курсы военно-морских наук, преобразованные в военно-морской отдел Академии. 26 февраля 1887 года Дмитрий Сергеевич стал вице-адмиралом, а 14 мая 1896 года был пожалован званием генерал-адъютанта и награжден алмазными знаками к ордену Святого Александра Невского.

9 августа 1900 года по случаю 50-летнего пребывания в офицерских чинах был произведен в полные адмиралы, и 1 апреля 1901 года назначен членом Государственного Совета. Он заседал в департаменте промышленности и торговли и в Особом присутствии для составления Уголовного уложения. После реформы Государственного Совета в 1906 году, состоял членом Совета и входил в группу правых.

Дмитрий Сергеевич сыграл немалую роль в становлении Императорского Православного Палестинского Общества, выступив посредником между инициатором создания Общества В. Н. Хитрово и Великим Князем Сергеем Александровичем. Это было подчеркнуто в памятном слове после кончины Д. С. Арсеньева на общем собрании членов ИППО 1 мая 1916 года. «Когда покойный Великий Князь в 1882 году, по возвращении из первого своего путешествия в Св.Землю, решился встать во главе этого общества, В. Н. Хитрово, на первых порах своих усиленных хлопот по открытию Общества, добился приема у Великого Князя при любезном содействии Дмитрия Сергеевича и этой его услуги никогда потом не забывал». В памятном слове упоминалось про рескрипт Великого Князя в адрес Д. С. Арсеньева в 1904 году, в котором отмечалось его «постоянное сочувственное отношение к деятельности Общества». К сожалению, болезнь горячо любимой дочери не позволяла Дмитрию Сергеевичу полностью погрузиться в дела Общества из-за частых и длительных отлучек из Петербурга.

Похоронен вместе с женой на Казанском кладбище в Царском Селе. Но в 1950-х годах в эту могилу были захоронены неизвестные лица, и первоначальные имена в надписях на надгробии сбиты и заменены на другие.