10 декабря 2001 года после поступления в аспирантуру Государственного университета гуманитарных наук Д.В. Фомин-Нилов был принят на работу в Институт всеобщей истории РАН в должности младшего научного сотрудника. В качестве служебных обязанностей помимо научной деятельности курировал вопросы разработки нового поколения учебной литературы по отечественной истории, развития образовательных программ, экспертизы учебников по истории для средней и высшей школы.
После защиты кандидатской диссертации стал работать по совместительству ученым секретарем ГАУГН (с 4 апреля 2005 года) и 25 ноября 2005 года получил должность научного сотрудника ИВИ РАН, продолжая заниматься развитием научно-образовательных проектов, курируя вопросы интеграции академического социо-гуманитарного знания с высшим образованием, а также молодежной политики в ГАУГН.
При участии Д.В. Фомина-Нилова ГАУГН и ИВИ РАН приняли участие в выполнении ряда поручений Президента РФ, в реализации больших научных и научно-практических проектов в рамках нескольких Федеральных и ведомственных целевых программ. Д.В. Фомин-Нилов выступал как в качестве координатора научно-образовательных проектов, так и ответственного исполнителя. 1 июля 2008 года получил должность старшего научного сотрудника ИВИ РАН.
В период до 2013 года Д.В. Фомин-Нилов принимал активное участие в организации международных научных мероприятий, разработке учебников и учебных пособий по истории, развитии информационно-технологических подходов в социо-гуманитарной сфере, формировании новой культуры научных публикаций, чтении лекций по истории и международным отношениям ХХ века.
В целях коммерциализации результатов научно-исследовательской деятельности принял участие в создании ряда малых инновационных компаний, а также исполнял обязанности (по совместительству) генерального директора ООО «Интеграция: Образование и Наука» в период с 2008 по 2012 годы.
В 2009 году стал одним из инициаторов создания и заместителем главного редактора Электронного научно-образовательного журнала «История» (history.jes.su), а также с 1 марта 2009 года – руководителем Центра информационных технологий ИВИ РАН (вплоть до назначения исполняющим обязанности ректора ГАУГН 15 октября 2013 года).
В период с 2009 по 2012 год Д.В. Фомин-Нилов являлся членом Совета молодых ученых Российской академии наук, представляя интересы молодых ученых Историко-филологического отделения РАН. Д.В. Фомин-Нилов принял также активное участие в создании Всероссийской ассоциации учителей истории и обществознания, где в настоящее время на общественных началах выполняет функции заместителя председателя.
13 мая 2013 года по линии работы в ГАУГН получил повышение и занял должность Проректора по инновационным программам и учебному процессу (внешнее совместительство). С 15 октября 2013 г. по настоящее время является руководителем федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Государственный академический университет гуманитарных наук», а также старшим научным сотрудником ИВИ РАН (внешнее совместительство).