Денис Лотоев 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» Чайковского, «Царская невеста» Римского-Корсакова и «Фауст» Гуно в Театре оперы и балета Санкт-Петербургской консерватории.

С 1993 по 1998 год Денис Лотоев являлся дирижером Симфонического оркестра Санкт-Петербургской государственной академической капеллы имени М. И. Глинки, с 1998 по 2000 год — дирижером Санкт-Петербургского государственного академического симфонического оркестра.
В 1996 году состоялся его дебют с Большим симфоническим оркестром имени П. И. Чайковского. С 2000 года Денис Лотоев — ассистент художественного руководителя и главного дирижера оркестра Владимира Федосеева, а с 2009 года — дирижер этого прославленного коллектива. За время работы в БСО он подготовил и осуществил ряд самостоятельных проектов, представленных на отечественных и зарубежных сценах. Среди них — концерты на сцене Большого зала Московской консерватории, постоянное участие в абонементах Московской филармонии, выступления в эфире телеканала «Культура», участие в различных фестивалях, в том числе в открытии Международного фестиваля “Crescendo” (2005), проведение Международного конкурса скрипачей имени Д. Ф. Ойстраха с оркестром «Новая Россия» (под управлением Ю. Башмета), сотрудничество с такими известными солистами, как Денис Мацуев, Питер Донохоу, Борис Березовский, Вадим Репин, Максим Венгеров, Андрей Гаврилов, Никита
Борисоглебский, Андрей Коробейников, Алена Баева, Пепе Ромеро, Арабелла Штайнбахер, Даниэль Мюллер-Шотт, Максим Федотов, Денис Шаповалов, Екатерина Мечетина, Александр Бузлов, Александр Рамм, Дмитрий Илларионов.

Денис Лотоев неоднократно гастролировал с Большим симфоническим оркестром в России и за рубежом: в Великобритании, Германии, Швейцарии, Голландии, Италии, Китае, Египте, 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 четырех оркестров Александра Чайковского, в исполнении которых на сцене Московского концертного 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».

Осенью 2023 года Владимир Федосеев и Денис Лотоев представляли БСО во время длительного концертного тура по Китайской Народной Республике, исполнив цикл всех симфоний Петра Ильича Чайковского. После этого турне Китайская государственная консерватория (г. Пекин) пригласила Дениса Лотоева продирижировать концертом, посвященным юбилею консерватории и провести мастер-классы для студентов дирижерского факультета.

Российская и зарубежная пресса отмечала Дениса Лотоева как достойного профессионала, неординарно мыслящего, яркого интерпретатора, умеющего увлечь слушателей искренней эмоцией и свежестью прочтения партитуры. После серии концертов дирижера с БСО в рамках турне по городам Великобритании в одном из английских изданий было отмечено: «Денис Лотоев дирижирует в такой манере, с которой прежде не приходилось сталкиваться: это новая манера дирижирования, и она удивительна». А в нидерландском издании «Eindhovens Dagblad» критик писал: «Под руководством дирижера Дениса Лотоева  Большой симфонический оркестр имени П. И. Чайковского продемонстрировал отменную сыгранность, впечатляя фантастической динамикой. Многогранные полифонические пассажи оставались прозрачными, а легкое пиано было похоже на осенние листья, трепещущие на ветру».

Недавно японская звукозаписывающая компания Avex выпустила в свет компакт-диск с произведениями Шостаковича и Хачатуряна в исполнении Дениса Лотоева и БСО им. П. И. Чайковского.

В 2019 году Денис Лотоев удостоен звания «Заслуженный артист Российской Федерации».