С 28 августа 1948 г. – начальник группы. С 30 июня 1951 г. – ведущий конструктор отдела 4 ОКБ-1 НИИ-88. После выделения ОКБ-1 из состава НИИ-88 в самостоятельную организацию продолжил работать ведущим конструктором. В этом качестве участвовал в работах по ракете Р-5.
В апреле 1958 г. Козлов становится заместителем главного конструктора (приказ № 8 от 11.04.1958). В ноябре 1961 г. – главным конструктором и начальником филиала ОКБ-1, созданного в Куйбышеве (ныне г. Самара) на Первом авиационном заводе для организации производства первой в мире межконтинентальной баллистической ракеты Р-7 в роли ведущего конструктора. Ему удалось создать жизнеспособный коллектив ракетчиков в основном из местных кадров.
Серьезной проверкой для молодого коллектива и для его руководителя стала ракета P-9 (8К75), освоение производства которой пришлось на конец 1950-х – начало 1960-х гг. В процессе изготовления в «полностью готовый проект» пришлось вносить десятки тысяч изменений, дабы изделие не просто пошло в производство, но и было эффективным.
Кроме того, филиал № 3 ОКБ-1 (впоследствии ставший самостоятельной организацией) получил и работы по спутникам наблюдения «Зенит-2», на долгие годы определившие основные направления деятельности Дмитрия Ильича и возглавляемого им коллектива. Следует заметить, что Д.И. Козлов изначально не хотел заниматься спутниками. «Зенит-2», создававшийся почти в одно и то же время с гагаринским «Востоком», при всем внешнем сходстве был намного более сложным аппаратом. Так, если для космонавта считалась приемлемой температура от -40 до +40 °C, то фотопленка допускала колебания всего в полградуса. Кроме того, для фотографирования требовалась совершенно другая система ориентации, ибо аппарат надо было не только точно развернуть в нужном направлении, но и удерживать в нем определенное время.
Именно Д.И. Козлов был выбран Королёвым для того, чтобы возглавить работы по комплексу ракеты Η-1.
Под руководством Д.И. Козлова в конце 1960-х гг. были разработаны проекты пилотируемых космических кораблей специального назначения. К сожалению, на стадии макета и отбора кандидатов в космонавты эта весьма перспективная разработка была прекращена. Однако на основе накопленного опыта был создан космический аппарат «Янтарь», на долгие годы ставший одним из основных средств космической разведки.