Дмитрий Матвиенко является воспитанником "Олимпик" (Донецк) и "Шахтёр" (Донецк). После завершения обучения играл во второй лиге за донецкий "Олимпик". С 2010 года играл за дубль симферопольской "Таврии", а в 2013 году уже дебютировал в Премьер-лиге Украины в составе "Таврии". В 2014 стал игроком молдавского "Тирасполь".

В чемпионате Премьер-лиги КФС Дмитрий выступает с сезона 2015/16 гг.  

За время, проведенное в команде, Дмитрий сыграл 59 матча в Чемпионате Премьер-лиги КФС (56 в стартовом составе), 12 матчей в Кубке КФС и 2 матча в Суперкубке КФС, забив в общей сложности 43 гола. 

Дмитрий Матвиенко является шестикратным чемпионом Премьер-лиги КФС (из них дважды в составе "Таврии" – сезоны 2023 и и 2024), пятикратным обладателем Кубка КФС (из них трижды в составе "Таврии" – сезоны 2023, 2024, 2025), а также четырехкратным обладателем Суперкубка КФС (из них дважды в составе "Таврии" – сезоны 2024 и 2025). 

1 июня 2025 года в матче 10 тура чемпионата Премьер-лиги Крымского футбольного "Океан" – "Таврия" полузащитник симферопольской "Таврии" Дмитрий Матвиенко провел свой 300-й матч во всех турнирах Крымского футбольного союза, тем самым став первым футболистом, который перешагнул рубеж в 300 игр. Памятные подарки вручили директор футбольного клуба "Таврия" Александр Гайдаш и президент Крымского футбольного союза Сергей Бородкин.