По собственным заверениям, Дмитрий Александрович - внебрачный сын графа Александра Николаевича Толстого и, соответственно, племянник известного писателя Алексея Николаевича Толстого. Александр Николаевич Толстой родился 12 августа 1858 года под Выборгом, и был потомком генерал-майора Д. Б. Толстого (1763-1844). Мать Дмитрия Александровича - личная почётная гражданка Клавдия Дмитриевна Быстролётова. Дмитрий с рождения носил фамилию матери.
С 1904 по 1913 год Дмитрий Быстролётов жил и воспитывался в Петербурге, в семье Елизаветы Робертовны де Корваль. В 1913 - 1917 годах обучался в гардемаринских классах (Севастополь). Еще в ранней юности увлёкся марксизмом, что во многом и определило его дальнейшую судьбу... В 1918 г. Быстролетов написал акварель "Штурм Ризе", посвящённую героическому эпизоду Первой мировой войны.
В 1919 году Быстролётов окончил выпускные классы классической гимназии и выпускные классы Мореходной школы в городе Анапа. Служил штурманом дальнего плавания на сторожевом катере. В ноябре 1919-го, дезертировав из Добровольческой армии Деникина, эмигрировал в Турцию с группой революционных матросов. Работал матросом на судах различных пароходных компаний. Осенью 1920 г. организовал бунт на парусно-моторной шхуне «Преподобный Сергий». Привёл судно в Евпаторию, где и был завербован местной ЧК.
Шхуна «Преподобный Сергий» была переименована, получив парадоксальное имя «Преподобный Троцкий». Из Одессы в Болгарию шхуна вышла с «грузом» двух чекистов на борту. Быстролётов принял участие в этой неудачной операции. Шхуна попала в ледяной плен и едва не затонула. Морякам и пассажирам удалось спастись...
Осенью 1921 года Быстролётов вернулся в Турцию. В 1922 году окончил выпускной класс колледжа для европейцев-христиан в Константинополе. В мае приехал в Чехословакию, принят на медицинский факультет Университета имени Яна Амоса Коменского в Братиславе. В ноябре 1922 года перевёлся в Карлов университет (Прага), в 1924 году перешёл на юридический факультет того же университета. Окончил университет в 1927 году, диплом «Специалист по мировой торговле нефтью». В марте 1928 года защитил диссертацию «Основные проблемы права в освещении исторического и диалектического материализма», присвоена ученая степень доктора права.
В 1923 году Быстролётов был принят на работу в советское торгпредство в Праге и получил гражданство Украинской ССР. В 1924 году резидентура ОГПУ привлекла агента Быстролётова к работе по разложению эмиграции. Участник 1-го Всесоюзного съезда пролетарского студенчества (апрель 1925 года, Москва). Представитель "Союза студентов, граждан СССР, в Чехословакии". В Москве встретился с начальником Контрразведывательного отдела ОГПУ А. Артузовым и помощником начальника Иностранного отдела ОГПУ М. Горбом, которые разрешили резиденту ИНО в Чехословакии привлекать Быстролётова к разведывательной работе. Помимо основной работы в торгпредстве, занимался технической, экономической и политической разведкой, в том числе вербовкой агентурных источников. Между делом, Быстролетов брал уроки живописи и графики у профессоров Парижской и Берлинской академий художеств...
В 1927 г. Быстролётов (пользовавшийся огромным успехом у слабого пола) успешно осуществил разработку секретарши-француженки, которая имела доступ к переписке и шифрам своего МИД. В 1928 г. от неё были получены доклады и шифры французского посла в Праге.
В конце 1929 года Быстролётов получил направление на учёбу в Московский научно-исследовательский институт Монополии внешней торговли при Наркомторге СССР, но отъезд в Москву не состоялся. По предложению резидента в Берлине, Быстролётов переходит на работу нелегалом. С февраля 1930 года он - штатный сотрудник ИНО ОГПУ, до 1937 года работал на нелегальном положении в государствах Азии, Северной и Южной Америки, Африки и Европы, в качестве нелегала-вербовщика и руководителя группы нелегалов (под псевдонимом «Андрей»). Эту яркую страницу жизни Быстролётова можно прочесть лишь по штрихам. Он объездил многие государства Азии, Африки, Америки и Европы. Жил среди туарегов в Сахаре, среди пигмеев в Экваториальной Африке, в среде аристократов Англии, Франции и Италии, промышленников и банкиров Германии, Америки и Голландии...
Задания Быстролётову из «Центра» давали непосредственно руководители ИНО, в том числе А. Х. Артузов, действуя через легальных и нелегальных резидентов (Н. Г. Самсонова, Б. Я. Базарова, Т. Малли, И. С. Порецкого и других). Обеспечил руководство СССР дипломатическими шифрами и кодами Англии, Германии, Франции, Италии, Финляндии, Турции. Организовал получение из Государственного департамента США секретной информации. Контролировал личную переписку Гитлера и Муссолини. Достал для СССР ряд новейших технологий и образцов вооружения.
В 1935 году окончил медицинский факультет Цюрихского университета (под чужой фамилией и документами), в 1936 году защитил диссертацию по гинекологии, присвоена учёная степень доктора медицины. Учился в Академиях искусств Парижа и Берлина, принят в 1937 году в Союз художников СССР.
В конце 1936 года Быстролётов возвратился в Москву, работал в центральном аппарате разведки, в феврале 1938 года переведен из ГУГБ НКВД заведующим бюро переводов Всесоюзной торговой палаты. Оперативный псевдоним " Андрей".
Заключение17 сентября 1938 года Быстролётов арестован. 8 мая 1939 года Военная коллегия Верховного суда Союза ССР приговорила Быстролётова Дмитрия Александровича по ст. 58 ч. 6, 7, 8 УК РСФСР к исправительно-трудовым лагерям сроком на двадцать лет, с поражением в политических правах на пять лет и с конфискацией личного имущества.
В 1939-1940 годах отбывал заключение в Норильлаге, в 1940-1941 годах - в Мариинске (Сиблаг), до 1947 года - в Суслово (Сиблаг).
В январе 1948 года, по указанию Министра ГБ СССР Абакумова, доставлен под конвоем в Москву.
До 1951 года отбывал заключение в одиночной камере Сухановской особорежимной тюрьмы. В 1951 году направлен в спецлагеря: до 1952 года находился в Озёрлаге (строительство БАМа), далее - в Камышлаге (строительство нефтеперегонного завода в Омске). В 1954 году после инсульта освобождён от отбытия заключения («актирован»).
После освобожденияВ 1956 году за отсутствием состава преступления реабилитирован.
С 1957 по 1975 год жил в Москве, при знании 22 иностранных языков, работал языковым редактором во Всесоюзном НИИ медицинской и медико-технической информации министерства здравоохранения СССР, работал над литературным произведением «Пир бессмертных» в 17 книгах, завершённым незадолго до смерти автора.
Умер 3 мая 1975 года, похоронен в Москве на Хованском кладбище.