1 октября 1916 года Д. И. Долматов был мобилизован и как студент зачислен в подготовительный учебный батальон, находившийся в Нижнем Новгороде, а 28 октября Долматов — юнкер 1-й Одесской школы прапорщиков. В феврале 1917 года Д. И. Долматов был произведен в прапорщики. В составе 13-й роты 180-го пехотного запасного полка, дислоцированного в рабочих кварталах Васильевского острова и перешедшего на сторону Февральской революции, принял участие в свержении царя.
В студенческие годы Долматов активно участвовал в революционном движении. Занимался в марксистском кружке. В дни Февраля примкнул к большевикам, а в марте 1917 года вступил в их ряды. Проводил в войсках пропагандистскую работу. За участие в июльской демонстрации был арестован и вместе с Н. В. Крыленко и другими активными членами партии большевиков больше 2-х месяцев провел в тюрьме. Под залог в три тысячи рублей, внесенный партией РСДРП(б), был освобожден. Дальнейшее преследование Долматова прекратила Октябрьская революция. Став активным работником большевистской военной организации в Петрограде, 25 октября возглавил один из отрядов, участвовавших в вооруженном восстании. 12 октября 1917 года ЦК РСДРП(б) в письме Одесскому комитету рекомендовал включить Долматова в список кандидатов в Учредительное собрание по Румынскому фронту от большевистской партии вместе с Н. В. Крыленко, Н. И. Подвойским и другими руководителями военного бюро РСДРП(б).
Дальнейшая судьба новой власти зависела от ее упрочения в губерниях и уездах. Среди тех, кого партия направила в провинцию был и Д. И. Долматов. Он выехал в Галич Костромской губернии. Встреча с семьей, проживавшей к этому времени в Галичском уезде, не была радостной. Всегда непростые отношения с отцом закончились тем, что он проклял сына-большевика.
Д. И. Долматов являлся членом галичского уездного исполкома Советов, был заместителем председателя исполкома, председателем уездной чрезвычайной следственной комиссии по борьбе с контрреволюцией, спекуляцией и саботажем, заведующим отделом управления при уездном исполкоме, членом коллегии «ПЛЕНБЕЖ». Как отмечал председатель галичского Совета Н. А. Леднев, Долматов за все время пребывания на перечисленных должностях показал себя в высшей степени энергичным и полезным работником. Особенно много им было сделано для организации отдела управления, во главе которого он был в течение сентября — ноября 1918 года. Затем Д. И. Долматов — комиссар запасного батальона 3-й бригады 7-й стрелковой дивизии, расквартированного в Галиче. На этом посту он проводил политработу среди красноармейцев, укреплял революционную дисциплину, боролся с дезертирством.
Долматов сыграл большую роль и в оформлении галичской парторганизации, под руководством которой решались вопросы не только хозяйственного, но и военного строительства. В условиях нараставшей Гражданской войны Галич стал одним из центров подготовки красноармейцев. В связи с проведением в ноябре 1918 года мобилизации Дмитрию Ивановичу часто приходилось выезжать в волости, беседовать с крестьянами. В городе был организован сборный пункт для трех уездов: Галичского, Солигаличского и Чухломского. Мобилизованных размещали в казармах 181-го полка. Был открыт клуб, в котором велась политработа среди новобранцев, устраивались концерты. Душой клуба был Д. И. Долматов, его любили и уважали за глубокий ум и прямоту взглядов, он оказал неоценимые услуги революции. Один из работников Галичского уездного военкомата, заведующий агитационновербовочным отделом 3. И. Говядин также подтверждал эту высокую оценку Долматова: Дмитрий Иванович не только мог великолепно читать стихи А. С. Пушкина, но и активно участвовал в дискуссиях по поводу программ меньшевиков, эсеров, большевиков. Вокруг всегда собиралась молодежь из запасного батальона, города, слушали беседу, задавали вопросы и тут же получали ответы. Для многих из этих слушателей встреча с Долматовым стала определяющей, и некоторые из них вступали в партию большевиков.
Постепенно положение в Галиче ком уезде стабилизировалось, в чем, безусловно, была и заслуга Д. И. Долматова. Учитывая это, его в марте 1919 года выдвинули делегатом на VII губернский съезд Советов, на котором избрали членом Костромского губисполкома. Вскоре он стал его председателем, В архиве сохранилось удостоверение за № 1365: «Предъявитель сего Дмитрий Иванович Долматов, член Костромского губисполкома, председатель губернского исполнительного комитета». Дата регистрации в отделе управления губисполкома — 20 марта 1919 года. Как председателю губисполкома, ему давалось право получения вне очереди билетов на пароходных пристанях, железнодорожных станциях, мест в делегатских и штабных вагонах. Местные власти обязаны были выделять в его распоряжение для разъездов двух лошадей, поселять на квартиру, оказывать любую другую помощь. Наличие таких документов и предоставление услуг руководящим советским и партийным работникам диктовалось чрезвычайными условиями Гражданской войны. Костромская губерния сотрясалась различными мятежами, погромами и выступлениями со стороны антисоветских элементов, дезертиров, крестьян в Шунге, Самети, Красном и т. д. Не случайно губчека выдала Долматову удостоверение за подписью Я. К. Кульпе, свидетельствовавшее о том, что ему поручено командование всеми отрядами губчека в связи с нападением на волисполкомы Костромского и Нерехтского уездов. Сопроводил Дмитрий Иванович и не одну маршевую роту, в том числе в Вологду, Казань, Архангельск, уезжавшую на борьбу с белогвардейцами и интервентами.