Денис Лотоев окончил Санкт-Петербургскую государственную консерваторию имени Н. А. Римского-Корсакова и аспирантуру по специальности «оперно-симфоническое дирижирование» (класс профессора Владислава Чернушенко). Участвовал в постановках опер «Евгений Онегин» и «Иоланта» Чайковского, «Царская невеста» Римского-Корсакова и «Фауст» Гуно в Театре оперы и балета Санкт-Петербургской консерватории.
В 1993–1998 гг. – дирижер Симфонического оркестра Санкт-Петербургской государственной академической капеллы имени М.И.Глинки, в 1998–2000 гг. – дирижер Санкт-Петербургского государственного академического симфонического оркестра.
В 1996 году дебютировал с Большим симфоническим оркестром имени П. И. Чайковского. С 2000 года – ассистент художественного руководителя и главного дирижера БСО Владимира Федосеева, с 2009 года – дирижер коллектива. За время работы с оркестром подготовил и осуществил ряд проектов, представленных на отечественных и зарубежных сценах. Среди них – концерты в Большом зале Московской консерватории, абонементные серии Московской филармонии, выступления в эфире телеканала «Культура», участие в различных фестивалях, в том числе Crescendo (2005), проведение Международного конкурса скрипачей имени Давида Ойстраха с оркестром «Новая Россия» и др.
Сотрудничал с известными солистами, в числе которых Денис Мацуев, Питер Донохоу, Борис Березовский, Вадим Репин, Максим Венгеров, Андрей Гаврилов, Алена Баева, Пепе Ромеро, 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, Нидерландах, Италии, Китае, Египте, Аргентине, Бразилии, Мексике, Уругвае, выступал на многих известнейших концертных площадках, в том числе в зале Кёльнской филармонии, гамбургском Лейсхалле и Симфони-холле в Бирмингеме.
В сентябре 2022 года Денис Лотоев представил мировую премьеру «Вариаций на тему FEDOSEEF» для четырех оркестров Александра Чайковского, в исполнении которых на сцене Большого зала МКЗ «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.
Японская звукозаписывающая компания Avexвыпустила компакт-диск с произведениями Шостаковича и Хачатуряна в исполнении БСО под управлением Дениса Лотоева.
Дирижер удостоен почетного звания «Заслуженный артист Российской Федерации» (2019).
