Велогонщик, заслуженный мастер спорта СССР (1988). Выступал за ВДФСО профсоюзов (Ленинград). Получил известность в 1988 году на олимпиаде в Сеуле (Корея), когда в командной гонке преследования (вместе с Вячеславом Екимовым, Артурасом Каспутисом и Гинтаутасом Умарасом), завоевал олимпийское золото. Призёр чемпионатов мира (1989, 1991). Участвовал также в олимпийских играх 1992 г. Спортивную карьеру завершил в 1997 г.
Дмитрий Нелюбин погиб в новогоднюю ночь 2005 г. - убит возле своего дома выходцами с Кавказа, которые после совершения преступления поспешили скрыться. Преступники были установлены и задержаны лишь в 2008 г. Непосредственный убийца Д. Нелюбина приговорён к 18 годам лишения свободы.
Дмитрий Нелюбин похоронен в С.-Петербурге на Богословском кладбище.
