3 марта 1938 года Дмитрий Филиппович вступил в ряды Красной Армии, а в следующем году окончил Одесскую военную авиационную школу лётчиков. С 17 по 28 сентября 1939 года принимал участие в боях на территории Западной Украины в составе 69-й ИАБР, ВВС Украинского фронта, летая на И-15бис.
Позже стал участником финской войны, в боях был с 3 по 13 марта 1940 года в составе 23-го истребительного авиационного полка (далее ИАП), где также летал на И-15бис и И-153.
С 22 июня 1941 года младший лейтенант Дмитрий Ковтюлев пополнил состав 91-го ИАП, что базировался в районе Житомира. Боевое крещение получил на Юго-Западном фронте, летая на И-153. В июле полк убыл в тыл на доукомплектование, а летчика перевели в 20-й ИАП, где он пробыл до 5 сентября 1941 года. 20 января 1941 года его направили в 518-й ИАП (ВВС Калининского фронта), где он пересел на истребитель на Як-1.
К февралю 1942 года Дмитрий Ковтюлев уже командир 1-й эскадрильи 518-го истребительного авиационного полка (140-я истребительная авиационная дивизия, Калининский фронт). К этому моменту он совершил 141 боевой вылет, принял участие в 44 воздушных боях, сбив пять вражеских самолетов и еще семь — в составе группы.
15 февраля 1942 года группа самолетов, ведомых Дмитрием Ковтюлевым, успешно штурмовала немецкий аэродром в районе поселка Дуги южнее Ржева. Когда летчики возвращались с задания, на хвост им сели 12 вражеских истребителей. Прикрывая отход товарищей, с ними вступил в бой Дмитрий Филиппович. Он успел сбить истребитель прежде, чем его самолет подбили. Крылатая машина упала на нашей территории.
Летчик-ас получил сотрясение мозга, повреждение позвоночника и более года пролежал в госпитале.
Указом Президиума Верховного Совета СССР «О присвоении звания Героя Советского Союза начальствующему и рядовому составу Красной Армии» от 30 января 1942 года за «образцовое выполнение боевых заданий командования на фронте борьбы с немецкими захватчиками и проявленными при этом отвагу и геройство» Ковтюлев Дмитрий Филипович был удостоен высокого звания Героя Советского Союза с вручением ордена Ленина и медали «Золотая Звезда».
После долгого лечения в Москве его списали с летной работы. В дальнейшем служил адъютантом 2-й эскадрильи 91-го ИАП. В феврале 1944 года капитана Дмитрия Ковтюлева уволили в запас по состоянию здоровья.
После этого он жил в Кишиневе (Молдавия), а позже в Киеве (Украина). Умер Дмитрий Филиппович 1 октября 1945 года, не дожив до своего 27-летия.
Летчик похоронен в братской могиле в деревне Колки (Невельский район Псковской области). На фасаде средней школы, в которой учился летчик, установлена мемориальная доска.
