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.
Большое внимание Дмитрий Ильич уделял подготовке инженерных кадров. В октябре 1980 г. он возглавил созданную кафедру летательных аппаратов Куйбышевского авиационного института.
