С 20-х гг. заведовал кафедрой региональной географии в Харьковском институте. С исследовательскими целями много путешествовал по Советскому Союзу.
Осуществил два кругосветных путешествия, посетив при этом Западную Европу, Северную Америку, Австралию и Новую Зеландию, Японию и Китай. Тем самым доказал, что и в наше время «кругосветки» исключительно познавательны, неоценимы для географов и могут считаться немалой заслугой путешественников.
По возвращении из путешествий занимался географией Украины, разработал схему геоморфологического районирования республики, установил возраст и уточнил границы распространения Днепровского оледенения, единственного, по мнению Дмитриева, на территории Украины.
Годы жизни 1886 – 1957