В 1896 г., уже будучи полковником, Дмитрий Федорович был назначен московским обер-полицмейстером. Характеризуя его первые шаги на полицейском поприще, С. Ю. Витте замечал, что «ему, как всякому невежде, все сначала казалось очень просто: бунтуют – бей их; рассуждают, вольнодумствуют – значит надо приструнить. Рабочие пошли в революцию – значит стоит только сделаться полицейским революционером, и рабочие пойдут за ним. Никакой сложности явлений нет, все это выдумки интеллигентов, жидов и франкмасонов». В 1900 г. Дмитрий Федорович был произведен в генерал-майоры, а в 1903 г. зачислен в свиту Его Императорского Величества. В конце 1904 г. он вышел в отставку с тем, чтобы отправиться на войну с Японией. Уже на вокзале в Трепова стрелял эсер А. Полторацкий. Террорист был схвачен и приговорен к пяти годам тюремного заключения.
По дороге Дмитрий Федорович заехал в Петербург, чтобы проститься с родными, и внезапно получил назначение на вновь учрежденную должность генерал-губернатора. Трепов сразу же постарался «уничтожить ужасное впечатление, произведенное на рабочих расстрелом 9 января». Группа питерских пролетариев посетила государя в Царском Селе и «изъявила ему свои верноподданические чувства». Большинство рабочих оценили подобную манифестацию как комедию, однако ситуация в городе постепенно стала стабилизироваться. В значительной степени этому способствовали постоянные совещания генерал-губернатора как с фабрикантами, так и с представителями рабочих, а также довольно жесткие меры к нарушителям порядка.
Хотя в глазах общественности Трепов считался типичным «царским сатрапом», на самом деле, по утверждению Г. О. Рауха, «в нем было как будто два человека; при действительной готовности на самые крутые меры и на крайний консерватизм, он вместе с тем в душе был, можно сказать, либералом и сочувствовал конституции».
После опубликования «Манифеста 17 октября» Трепов оставил пост генерал-губернатора и был назначен дворцовым комендантом. При этом Дмитрий Федорович не только сохранил, но и усилил свое влияние на Николая II. По словам С. Ю. Витте, он стал «вице-императором». В. И. Ленин в статье «Приближение развязки» писал: «Манифест» задержан Треповым. Конституция задержана Треповым. Свободы разъяснены в их истинном значении тем же Треповым. Амнистия изуродована Треповым... И если перед народом, политически еще спящим, Трепов был самым обыкновенным полицейским, то перед народом, сознавшим себя политической силой, Трепов стал невозможен, воплотив в себе всю дикость, преступность и бессмысленность царизма». Не удивительно, что Дмитрий Федорович стал мишенью террористов. В июле и августе 1906 г. эсеры совершили покушения на генералов Козлова и Стааля. Первый из них погиб, второй остался жив, однако любопытно, что и того и другого боевики по ошибке приняли за ненавистного Трепова.
В конце жизни Дмитрия Федоровича мучили галлюцинации, ему казалось, что революционеры следят за каждым его шагом. Он практически не выходил из дома и 2 сентября 1906 г. сердце его не выдержало. Похоронили Трепова в придворном соборе святых Апостолов Петра и Павла в Новом Петергофе.