В вопросах внешнеполитической деятельности его путь определяется от неприятия военной географии, как науки необходимой офицеру Генштаба, через основанную им военную статистику к геополитике, которую он, если и не основал, о чем говорилось выше, то, безусловно, был глубоким ее разработчиком. Благодаря страстной убежденности в необходимости продолжения борьбы за Плевну в войне 1877–1878 гг., несмотря на неудавшиеся предыдущие три ее штурма, Д. А. Милютин смог преодолеть на военном Совете сопротивление некоторых генералов во главе с великим князем Николаем Николаевичем, которые полагали, «что кампания не удалась» и осаду надо снимать. Только последовательная аргументация Д. А. Милютина, опирающаяся на необходимость взятия Плевны не в тактическом или стратегическом, а именно в геополитическом плане, привела к напряжению сил в целях обеспечения ее падения. При этом необходимо отметить то, что сам Д. А. Милютин вместе с царем в течение семи месяцев находился на русско–турецком фронте и лично влиял на Александра II и военное командование в том направлении, которое считал необходимым. Д. А. Милютин внимательно следил за ходом внешнеполитических процессов. Желание обеспечить условия для завершения реформ заключалось в его программе необходимости сохранения мира в Европе и на Ближнем Востоке, т. е. там, где положение было наиболее нестабильным и опасным. Восточный вопрос — краеугольный камень внешней политики России всегда был под его пристальным вниманием. В записке, посвященной судьбам Оттоманской империи, Д. А. Милютин обращал внимание на опасность распада этого государства. Он считал, что ни одна из европейских держав не должна претендовать на преобладающее влияние на Балканах, высказывался на недопустимость захвата проливов какой–либо одной страной и за объявление Мраморного моря и проливов нейтральными. Иным был взгляд англичан, в том числе Уинстона Черчиля, на значение этого «мягкого подбрюшья Европы» в европейских делах.
В Средней Азии Россия, по мнению Д. А. Милютина, должна была, вопреки мнению министра иностранных дел A. M. Горчакова, действовать без постоянной оглядки на Англию. Практическим подкреплением этой мысли, кроме активного вхождения в Среднюю Азию, было соединение Оренбургской и Сибирской укрепленных линий, в результате чего Россия получила на этом направлении защищенную границу. Деятельность Д. А. Милютина в вопросах внешней политики носила прагматический характер, о чем свидетельствует трансформация его взглядов на русско–германские отношения. Победы немцев во франко–прусской войне и образование в 1871 г. германского государства с тревогой были встречены военным министром. Он помнил об угрозе России со стороны Германии и без одобрения относился к восторженным высказываниям Александра II по поводу успехов немецкой армии. Однако, когда царское правительство из–за возникших в дальнейшем англо–русских противоречий и военной слабости России, взяло курс на сближение и восстановление союза с Германией, Д. А. Милютин поддержал этот курс. Он завершился восстановлением «Союза трех императоров». В последний год своей службы на посту военного министра Д. А. Милютин отошел от прогерманской позиции.
За свою военную деятельность Д. А. Милютин был награжден всеми российскими орденами, включая орден Св. Апостола Андрея Первозванного, и многих зарубежных наград. Он состоял почетным президентом Академии Генштаба и Военно–юридической академии, почетным членом Академии наук, Артиллерийской, Инженерной и Медико–хирургической академий.
Покушение на Александра II в 1881 г. стало причиной перехода правительства Александра III к открытой реакции. Манифест о «Незыблемости самодержавия» предопределил переход к контрреформам. Д. А. Милютин был вынужден уйти в отставку. В этом же году он покинул Петербург и поселился в своем имении — в Симеизе. Однако, в 1880–90‑е гг. он встречался с Александром III и Николаем II, великим князем Константином Николаевичем. Его посещали министр финансов С. Ю. Витте, министры иностранных дел Н. К. Гире и В. Н. Ламздорф, дипломаты А. Г. Жомини, А. И. Нелидов, П. А. Шувалов. О его заслугах в 1898 г. вспомнил Николай II и в дни торжеств по случаю открытия памятника Александру II в Москве Д. А. Милютин был произведен в генерал–фельдмаршалы. За эти годы он побывал практически во всех европейских странах, живо интересовался военным воздухоплаванием, проводил время среди книг.
Скончался Дмитрий Алексеевич 25 января 1912 г. и был похоронен на Новодевичьем кладбище в Москве. Дневники и воспоминания по его завещанию были переданы на хранение в Императорскую академию Генерального штаба.