* Количество игр и голов за профессиональный клуб считается только для различных лиг национальных чемпионатов. ** Количество игр и голов за национальную сборную в официальных матчах.
Начинал карьеру в софийском «Локомотиве», за который выступал с 1959 по 1965 год. В составе клуба выиграл чемпионат Болгарии в сезоне 1963/64. Также в сезоне 1964/65 стал серебряным, а в 1959/60 бронзовым призёром. В 1965 перешёл в ЦСКА. За «армейцев» Димитр выступал 12 лет. За это время он стал семикратным чемпионом страны, четырёхкратным обладателем Кубка, и дважды признавался лучшим футболистом страны. С клубом он стал полуфиналистом Кубка европейских чемпионов 1966/67. За сборную Болгарии выступал с 1965 по 1974 год. За это время сыграл 90 матчей, забив 2 гола. Это четвёртый результат за всю историю национальной команды. Димитр участвовал в трёх чемпионатах мира — в 1966, 1970 и 1974 годах. Ни на одном из этих турниров сборная не выходила из группы. После завершения карьеры стал тренером. В 1985 году Пенев возглавил ЦСКА. При нём клуб стал трёхкратным чемпионом Болгарии, четырёхкратным обладателем Кубка и однажды выиграл Суперкубок. При нём ЦСКА дошёл до полуфинала Кубка Кубков 1988/89, где проиграл будущему победителю турнира «Барселоне». После этих успехов, Димитра Пенева пригласили работать в сборную Болгарии. Он руководил командой на чемпионате мира 1994 года, где сборная добилась лучшего результата в своей истории, заняв 4-е место. В полуфинале «львы» проиграли Италии, а в матче за третье место уступили шведам со счётом 0:4. На чемпионате Европы 1996 года болгары не вышли из группы, после чего тренер покинул команду. В 1998 он возглавил «Спартак» из Варны. В том же году вернулся в ЦСКА, с которым работал до 2000 года. В 2003 тренировал китайский «Ляонин», в 2007 некоторое время руководил сборной. В 2008 году Пенев сменил в ЦСКА Стойко Младенова, который ушёл из-за финансовых проблем[1]. В 2009, после поражения в матче Кубка Болгарии его заменили на племянника Любослава Пенева[2].
Достижения
Игрока
Чемпион Болгарии(8): 1963/64, 1965/66, 1968/69, 1970/71, 1971/72, 1972/73, 1974/75, 1975/76