Окончил Санкт-Петербургскую государственную консерваторию и аспирантуру по классу оперно-симфонического дирижирования у профессора, народного артиста СССР Владислава Чернушенко. Важным этапом творческого становления музыканта стало его участие в постановках оперных спектаклей «Евгений Онегин» и «Иоланта» П. И. Чайковского, «Царская невеста» Римского-Корсакова и «Фауст» Гуно в Театре оперы и балета Санкт-Петербургской консерватории.

С 1993 по 1998 год — дирижёр Симфонического оркестра Санкт-Петербургской государственной академической капеллы имени М. И. Глинки, с 1998 по 2000 год — дирижёр Санкт-Петербургского государственного академического симфонического оркестра.

В 1996 году состоялся дебют с Большим симфоническим оркестром имени П. И. Чайковского. С 2000 года Денис Лотоев — ассистент художественного руководителя и главного дирижёра оркестра Владимира Федосеева, а с 2009 года — дирижёр этого прославленного коллектива. 

За время работы с Большим симфоническим оркестром имени П. И. Чайковского подготовил и осуществил ряд самостоятельных проектов, представленных на отечественных и зарубежных сценах: концерты на сцене Большого зала Московской консерватории, постоянное участие в абонементах Московской филармонии, выступления в эфире телеканала «Россия-Культура», участие в фестивалях, в том числе в открытии Международного фестиваля Crescendo (2005), проведение Международного конкурса скрипачей имени Д. Ф. Ойстраха с оркестром «Новая Россия» (под управлением Юрия Башмета).

Сотрудничал с такими известными солистами, как Денис Мацуев, Питер Донохоу, Борис Березовский, Вадим Репин, Максим Венгеров, Андрей Гаврилов, Алёна Баева, Пепе Ромеро, Даниэль Мюллер-Шотт, Максим Федотов, Денис Шаповалов, Екатерина Мечетина, Александр Бузлов, Александр Рамм, Дмитрий Илларионов.

Неоднократно гастролировал с Большим симфоническим оркестром в России и за рубежом: в Великобритании, Германии, Швейцарии, Голландии, Италии, Аргентине, Бразилии, Мексике, Уругвае, с успехом выступив на многих концертных площадках, в том числе в зале Кёльнской филармонии, Гамбургском Laeiszhalle и Symphony Hall в Бирмингеме.

В сентябре 2022 года Владимир Федосеев доверил Денису Лотоеву мировую премьеру Вариаций на тему Fedoseef для четырёх оркестров Александра Чайковского, в исполнении которых на сцене Зала Зарядье приняли участие Большой симфонический оркестр имени П. И. Чайковского, Государственный камерный оркестр «Виртуозы Москвы», Московский камерный ансамбль «Солисты Москвы» и Московский камерный оркестр Musica Viva.

Недавно японская звукозаписывающая компания Avex выпустила в свет компакт-диск с произведениями Шостаковича и Хачатуряна в исполнении Дениса Лотоева и Большого симфонического оркестра имени П. И. Чайковского.

В 2019 году удостоен звания заслуженного артиста Российской Федерации.