9 августа 1900 года по случаю 50-летнего пребывания в офицерских чинах был произведён в полные адмиралы и 1 апреля 1901 года назначен членом Государственного совета, заседал в департаменте промышленности и торговли и в Особом присутствии для составления Уголовного уложения. После реформы Государственного совета в 1906 г., Арсеньев с 1909 г. снова состоял членом совета и входил в группу правых. 9 августа 1910 г. по случаю 60-летия службы в офицерских чинах Арсеньев был удостоен ордена св. Владимира 1-й степени.
Д. С. Арсеньев был почётным членом Императорского православного палестинского общества со дня его основания 21 мая 1882 года; занимал в нём должности члена Совета (1889), вице-председателя (1901) и почётного вице-председателя (1904). Скончался в день своего рождения 14 сентября 1915 г. в Царском Селе, похоронен там же на Казанском кладбище.
Был женат с 1872 года на дочери новгородского губернатора В. Я. Скарятина, фрейлине двора Варваре Владимировне (1844—1906); их дети: Сергей (1873—1941), Иван (1874—1919), Мария (1877—1882), Надежда (1885—1937; фрейлина).
