После октябрьского переворота 1917 года и прихода к власти большевиков Дмитрий Тёмкин, у которого не было каких-либо устойчивых политических убеждений, вначале пытался приспособиться к новой власти, по крайней мере для того, чтобы заработать на хлеб насущный. Пойдя на службу в Политуправление Петроградского военного округа, он участвовал в организации массовых празднеств в честь революции и «освобожденного труда», сопровождаемых музыкальными номерами. Он проявил не только музыкальный талант, но и способности организатора музыкальных коллективов во время подготовки и проведения массового представления в Петрограде на площади Урицкого (так тогда называлась Дворцовая площадь) под названием «Взятие Зимнего дворца». В представлении было занято около десяти тысяч исполнителей, в том числе свыше 500 музыкантов.
Все более усиливавшийся партийно-государственный надзор над культурно-художественной сферой вместе с нищенским уровнем жизни в России, в том числе во второй столице страны Петрограде, заставлял Дмитрия Тёмкина все чаще задумываться об эмиграции.
В 1921 году, воспользовавшись тем, что его отец, который все более втягивался в международное сионистское движение, находился в это время в Берлине, Тёмкин получил разрешение на кратковременный выезд в Германию, но назад с самого начала решил не возвращаться.
В Берлине Дмитрий Тёмкин продолжал учиться, совершенствовал игру на фортепиано и одновременно брал уроки композиции у выдающегося итальянского музыканта Ферруччо Бузони и его учеников. В 1924 году он попытался, без особого успеха, организовать свой гастрольный тур по Франции. Во время пребывания в этой стране он познакомился с Федором Ивановичем Шаляпиным, который посоветовал молодому музыканту переехать в Соединенные Штаты, считая заокеанскую страну более открытой для молодого таланта.
Действительно, отправившись в этом же году в США, Дмитрий вскоре познакомился с балериной и молодым педагогом австрийского происхождения Альбертиной Раш, которая руководила в Нью-Йорке танцевальной школой и организовывала гастроли своих учениц в различных городах Америки (сама она солировала во время выступлений). Тёмкин был принят на работу в студию, а в 1927 году они с Альбертиной поженились. В совместной работе с Альбертиной Дмитрия особенно привлекало стремление сочетать классический танец с джазовой музыкой. Так американская жизнь начала складываться более-менее благоприятно.
В 1929 году по договоренности с руководством нескольких голливудских компаний Танцевальная труппа Альбертины Раш вместе с композитором Дмитрием Тёмкиным перебралась в Лос-Анджелес. Это спасло труппу от грозившего ей в Нью-Йорке разорения во время начавшейся в том же году Великой депрессии. В то же время с конца 1920-х годов начинается деятельность Тёмкина в кино, которая продолжалась несколько десятилетий.
Начав с имевшего успех выступления на первой демонстрации звукового фильма «Бродвейская мелодия» в Китайском театре в Голливуде, труппа Альбертины Раш стала основным поставщиком коллективных танцев для голливудских фильмов, а Дмитрий Тёмкин предстал в качестве главного сочинителя музыки для этих выступлений. У него ярко проявился композиторский талант, сочетавшийся с блестящим искусством игры на фортепиано.
Уже в первой половине 1930-х годов Дмитрий Тёмкин стал востребованным композитором, которого приглашали сочинять музыку прежде всего для вестернов — жанра, получившего в это время широчайшее распространение в американском кино. Вестерны были героико-приключенческими фильмами об освоении Дальнего Запада Северной Америки, в них происходило столкновение характеров, и каждый раз необходимы были яркие музыкальные образы, в создании которых смог специализироваться Тёмкин. Когда его позже спрашивали, как он, выходец из совершенно другой жизненной среды, смог столь адекватно отразить в своей музыке дух американского Запада, он с улыбкой отвечал: «Я вырос в степной России. А степь — она и есть степь». Это была, разумеется, отговорка. Дело заключалось в том, что бесспорный композиторский талант сочетался у Тёмкина с жаждой познания нового и воплощения его в своем искусстве.
В середине 1930-х годов Дмитрий Тёмкин встретился с режиссером и продюсером итальянского происхождения Фрэнком Капрой. Знакомство переросло в тесную дружбу и совместную работу.
Первым фильмом Фрэнка Капры, музыку к которому написал Тёмкин, было драматическое повествование с элементами мистики под названием «Потерянный горизонт» (1937), созданное для компании «Коламбия пикчерз». Композитор тонко уловил повороты сюжета, связанного с похищением группы британцев во время беспорядков в Китае, их неожиданным освобождением местными жителями и их попаданием в вымышленную таинственную страну Шангри-Ла. В критике, в частности музыковедческой, отмечалось, что, работая над фильмом, Тёмкин энергично экспериментировал, использовал необычные комбинации тембра, добивался того, чтобы инструментовка была созвучна голосовым данным актеров.
Вслед за этим Дмитрий Тёмкин занялся новым смелым делом, которое он даже вначале считал почти авантюрным. Французский режиссер Жюльен Дювилье был приглашен в Голливуд фирмой Эм-джи-эм для подготовки фильма о великом композиторе Иоганне Штраусе, который был известен как «король вальсов». Фильм был назван «Большой вальс». Он вышел на экраны в 1938 году, получил огромный успех как в США, так и за их пределами (в том числе в СССР), был номинирован на ряд «Оскаров», в том числе за редактирование музыкального текста.
Естественно, в фильме звучала музыка самого Иоганна Штрауса. Но ее необходимо было обработать так, чтобы все музыкальные фрагменты, прежде всего вальсы, соответствовали сюжетным ходам фильма, замыслам режиссера. За эту нелегкую работу взялся Тёмкин, которому удалось преодолеть обоюдоострые опасности: то ли просто воспроизвести музыку Штрауса на экране, чего оправданно не желал режиссер, то ли извратить творения гениального композитора, извлекая просто обрывки из его произведений. И режиссер Жюльен Дювилье, и последующая критика сходились в том, что Тёмкин блестяще справился с поставленной задачей, донеся музыку Штрауса через экран до многомиллионной аудитории.
В годы Второй мировой войны Дмитрий Тёмкин продолжал писать музыку для художественных фильмов и вместе с тем принял участие в создании документальных лент «Разделяй и властвуй», «Битва за Англию», «Битва за Россию», «Битва за Китай». За эти работы он был удостоен специальных премий военного ведомства США. Заслуги Тёмкина особо отмечал начальник штаба армии генерал Джордж Маршалл. Командованию и критике особенно импонировала музыка Тёмкина к фильму «Негритянский солдат», в котором использовались мелодии и напевы чернокожего населения США в попытке показать, что негры, являясь составной частью североамериканской нации, не только вносят вклад в ведение военных действий, но и пользуются соответствующими благами, доступными всем военнослужащим страны.
Это было далеко не так: в вооруженных силах сохранялась расовая сегрегация, то есть отделение черных от белых. Но в пропагандистских целях важно было показать положение черных несколько идеализированно, и Тёмкин принял в этом участие.
В послевоенный период композитор продолжал в основном писать музыку, теперь уже исключительно к художественным фильмам. В 1952 году вышла картина с его произведениями и всем музыкальным фоном, которые оказались, по мнению критики и зрителей, особенно удачными.
Вестерн под названием «Ровно в полдень», описывавший мужественную борьбу полицейского-одиночки против бандитов, борьбу человека, которого предают его подчиненные и товарищи, уже в то время рассматривался как выдающаяся работа этого жанра, а позже стал оцениваться как своего рода классическое произведение. При этом в критике подчеркивается особая роль ведущей мелодии фильма и песни Дмитрия Тёмкина, названной так же, как и сама картина. Баллада «Ровно в полдень» на долгое время стала одним из любимых музыкальных произведений американцев. Любопытно отметить, что ее знали и повторяли столь различные, противоположные по взглядам американские деятели, как президенты Дуайт Эйзенхауэр, Рональд Рейган, Билл Клинтон.
Фильм получил много наград, в том числе четыре «Оскара». Это был единственный случай в истории американского кино, когда один и тот же деятель одновременно был удостоен двух «Оскаров»: они были присуждены Дмитрию Тёмкину за лучшую музыку к фильму и за лучшую песню. Он получил также «Золотой глобус». Это был подлинный триумф композитора.
Дмитрий Тёмкин получил еще одного «Оскара» за музыку к экранизации повести Эрнеста Хемингуэя «Старик и море», хотя сам фильм был оценен весьма неоднозначно: видный советский режиссер Михаил Ромм, например, оценивал его отрицательно.
Всего Дмитрий Тёмкин выдвигался на «Оскара» 22 раза, и это также было своеобразным рекордом в кинематографе.
У Тёмкина не один раз возникали столкновения с руководителями студий, режиссерами и продюсерами, которые по тем или иным причинам настаивали на внесении изменений в музыку фильмов. Обычно композитор стремился пойти навстречу, вникая в замысел постановщика и его группы. Изредка дело все же доходило до конфликтов.
Дмитрий Тёмкин рассказывал, что при съемках фильма «Дуэль под солнцем» (1946) всемогущий хозяин кинокомпании и одновременно продюсер Дэвид Селзник потребовал, чтобы в музыку была включена мелодия оргазма. В ответ на вопрос, как он себе представляет такую мелодию, Тёмкин, конечно же, не получил вразумительного ответа. «Придумайте что-нибудь долбящее!» — заявил Селзник. В результате композитор создал «мелодию оргазма» с участием барабанщиков и хора. Продюсер, однако, остался недоволен. «Музыка не подходит. Она слишком красивая», — заявил он. Согласие так и не было достигнуто. Недовольный Селзник все же включил «тему страсти», сочиненную Тёмкиным, в картину.
В конце 1967 года Дмитрий Тёмкин пережил двойную трагедию. После долгой болезни скончалась его жена Альбертина Раш. Когда он возвращался с похорон домой, на него напали бандиты, которые не только отобрали все, что им показалось ценным, но и жестоко избили композитора. Несколько недель он был вынужден провести в больнице, перенес две операции.