В октябре 1862 года после отставки графа В. Н. Панина Д. Н. Замятнин был назначен управляющим Министерством юстиции, а 1 января 1864 года утвержден в должности министра юстиции и генерал-прокурора. Таким образом в судьбоносные для России годы, в период подготовки и проведения судебной реформы, во главе министерства встал человек прогрессивных взглядов, обладавший большой эрудицией и высокими нравственными качествами. Перемены в министерстве не заставили себя ждать. Замятнин хорошо знал все тонкости и особенности ведомства, все его сильные и слабые стороны, и это очень помогало в работе.

Г. А. Джаншиев писал, что «с назначением Замятнина в министерстве юстиции стал носиться иной дух, выработались иные порядки. После такого черствого, безжизненного бюрократа, чиновника до мозга костей, каким был граф Панин, служивший истинным олицетворением бездушного формализма, вдруг занимает министерский пост человек мягкий, ласковый, приятный в обращении, доступный для всех».

Замятнин сразу же упростил взаимоотношения с подчиненными и просителями. Он ввел приемные часы «для личных объяснений», а правитель его канцелярии вообще принимал просителей в любое время, докладывая наиболее важные просьбы министру уже на следующий день. Дмитрий Николаевич любил напоминать сотрудникам, что «просителю, как бы больному, нужна помощь немедленная или объяснение, что ему помощь невозможна». Лично сам он никому и никогда не давал пустых «широковещательных обещаний». Но если же решение вопроса зависело от него, то он делал все возможное, чтобы помочь человеку.

Служивший под началом Замятнина правитель канцелярии министерства, впоследствии Сенатор, Дмитрий Борисович Бер писал о нем: «Всегда спокойный, хладнокровный, чуждый мелочного самолюбия, он требовал серьезного отношения к делу. Он обладал особым умением выслушивать своих подчиненных. Исполнитель, которому была поручена какая-либо работа, был уверен, что он всегда придет вовремя к своему начальнику и будет выслушан им без малейшей тени недовольства и досады, хотя бы он представлял свои соображения о невозможности исполнить данное приказание. Каждое малейшее сомнение обсуждалось, подвергалось строгой критике, весьма часто коллегиально, и дело от таких приемов выигрывало, притом же начальник этим приемом узнавал своих подчиненных. Это не было нерешительностью, а было, напротив, желанием отыскать правду, наилучшим образом осуществить ее и поставить дело на законную твердую почву».

Дмитрий Николаевич умело подбирал в свой аппарат толковых и инициативных работников. При этом он не принимал во внимание ни возраст, ни занимаемое тем или иным заинтересовавшим его человеком положение в судебной иерархии. Главные качества, которые он ценил в людях — это отношение к делу, профессионализм и искреннее желание служить Отечеству. Он сумел сгруппировать вокруг себя способных людей, прозванных в министерстве «могучей кучкой».

Д. Н. Замятнин стал руководить Министерством юстиции и органами прокуратуры в то время, когда после обнародования Манифеста 19 февраля 1861 года об освобождении крестьян от крепостной зависимости в Российской империи резко обострилась политическая ситуация. Волнения, начавшиеся в низах еще накануне издания Манифеста, не только не прекратились, но еще более нарастали. Они широко поддерживались революционными демократами, которые рассчитывали приблизить «аграрную революцию». В эти же годы разрасталось национально-освободительное движение в Польше, Литве, Белоруссии. Серьезно беспокоили правительство становившиеся все более массовыми студенческие выступления. В Россию проникали из-за границы запрещенные издания, широко распространялись листовки, прокламации и воззвания.

В борьбе с революционно-освободительным движением правительство Александра II не могло опираться только на III Отделение. В отличие от царствования Николая I в орбиту борьбы с политическими преступниками все более вовлекались Министерство юстиции и органы прокуратуры. В мае 1862 года с высочайшего соизволения была учреждена следственная комиссия по делам о распространении революционных воззваний. Ее возглавил А. Ф. Голицын, которого А. И. Герцен за жестокость к политическим противникам назвал «отборнейшим инквизитором». В комиссию входили представители министерства внутренних дел, Военного министерства, III Отделения, санкт-петербургского военного губернатора, столичный обер-полицмейстер. От Министерства юстиции Замятнин направил туда обер-прокурора 4-го департамента Правительствующего сената М. Ф. Гедда. Комиссия начала свою работу довольно интенсивно. Только за первые четыре месяца своего существования она расследовала материалы в отношении 112 человек. Дела, законченные комиссией, подлежали рассмотрению в суда х в первую очередь, «дабы виновные получили следующее им по закону наказание сколь возможно скорее». С 1864 года комиссию возглавил П. П. Ланской. Всего за девять лет существования она рассмотрела материалы на 3 тысячи человек, в том числе занималась делами Н. Г. Чернышевского, Н. В. Шелгунова, Д. И. Писарева и многих других революционных демократов. В бытность свою министром юстиции и генерал-прокурором, Замятнин постоянно контактировал с этой комиссией, высказывал свои мнения по различным делам.

Заботы по наведению порядка в деятельности судебных и прокурорских органов, организация политических процессов все же не могли заслонить собой главное дело его жизни, которому Д. Н. Замятнин отдавал всю свою энергию и весь пламень своего сердца — участие в подготовке и проведении судебной реформы.

Еще в начале октября 1861 года, возвратившись из Ливадии, император Александр II поинтересовался, как идут дела по выработке законов о судоустройстве и судопроизводстве. 23 октября 1861 года по докладу государственного секретаря Владимира Петровича Буткова он утвердил указ «Основные положения преобразования судебной части в России», который определял последовательность разработки и рассмотрения документов судебной реформы. В первую очередь предстояло изложить в общих чертах главные начала судоустройства и судопроизводства. После этого намечалось подготовить и сами Судебные уставы. Работа проводилась Государственной канцелярией с участием лучших юристов страны: В. П. Буткова, С. И. Зарудного, Н. И. Стояновского, Д. А. Ровинского, Н. А. Буцковского, К. П. Победоносцева и других.

В декабре 1863 года Бутков официально направил Д. Н. Замятнину проекты Судебных уставов. В соответствии с высочайшим повелением, министерство должно было представить все имеющиеся замечания по проектам в Государственный совет. Со своей стороны Замятнин получил согласие императора на то, чтобы направить в Государственный совет как письменные, так и устные замечания, чтобы все материалы поступили также на заключение обер-прокуроров и Сенаторов, как «лиц, обладающих обширными юридическими познаниями и практическою в судебных делах опытностью», и, наконец, чтобы его товарищ Стояновский присутствовал на всех заседаниях Государственного совета и имел право «представлять свои объяснения по проектам».

Д. Н. Замятнин близко к сердцу принял дело великой реформы. Вот что писал по этому поводу А. Ф. Кони: «Когда повеяло новым духом и вокруг Замятнина заговорили о необходимости реформы, он чуткой совестью почувствовал и здравым умом ясно представил себе, в чем должна состоять его задача, и, несмотря на влиятельные предостережения из среды «умеренности и аккуратности», решительно склонился в сторону смелого проведения в наш суд широких и новых начал… По трудным и новым вопросам реформы он прямодушно пользовался советами и указаниями счастливо сгруппированных им около себя честных и знающих подчиненных и сотрудников. Далекий от ложного самолюбия и не боясь уронить свое официальное достоинство, он, действуя таким образом, давал своим противникам повод злобно заявлять, что он «дает себя начинять департаментским либералам». В этом умалении своего министерского «я», в готовности участия, как надо служить делу, благому значению которого веришь, состоит высокая заслуга Замятнина пред выработкою основоположений русского правосудия».