Dietrich Lohmann wurde am 9. März 1943 in Schnepfenthal geboren und wuchs in Berlin auf. Nach dem Abitur absolvierte er ein Volontariat bei der Olympia-Film in München, gefolgt von einer Ausbildung zum Filmtechniker und Kameraassistenten an der Fachschule für Foto, Optik und Film in Berlin. Praktische Erfahrungen sammelte er 1967/68 als Assistent des Kameramanns Thomas Mauch bei frühen Filmen von Werner Herzog ("Lebenszeichen") und Alexander Kluge ("Die Artisten in der Zirkuskuppel: Ratlos"). Durch Kluge kam Lohmann mit dem Institut für Filmgestaltung Ulm in Kontakt, wo er an einigen Produktionen mitwirkte. 1968 gab er dort sein Debüt als verantwortlicher Kameramann bei Ula Stöckls Abschlussfilm "Neun Leben hat die Katze" (zusammen mit Thomas Mauch), gefolgt von Edgar Reitz' "Cardillac" (1969).  

Ebenfalls 1969 fotografierte er "Liebe ist kälter als der Tod", den ersten Spielfilm von Rainer Werner Fassbinder. Daraus entwickelte sich eine enge Zusammenarbeit, die bis 1972 andauerte und insgesamt 13 Produktionen hervorbrachte: acht Kinofilme, drei Fernsehfilme, den TV-Fünfteiler "Acht Stunden sind kein Tag" (1972) und die Fernsehbearbeitung des Fassbinder-Stücks "Bremer Freiheit" (1972). 1970 wurde Lohmann mit dem Deutschen Filmpreis ausgezeichnet – für die Kameraarbeit bei Thomas Schamonis "Ein großer graublauer Vogel" und gleich drei Fassbinder-Filmen: "Katzelmacher", "Liebe ist kälter als der Tod" und "Götter der Pest". Bei der letzten Zusammenarbeit mit Fassbinder, "Fontane Effi Briest", wurde er 1973 von Jürgen Jürges abgelöst.

Aber nicht nur durch die Arbeiten mit Fassbinder avancierte Dietrich Lohmann zu einem der stilprägenden Kameramänner des Neuen Deutschen Films. Er drehte häufig mit Nicos Perakis (u.a. "Bomber & Paganini", 1976) sowie mit Alf Brustellin und Bernhard Sinkel (u.a. "Berlinger", 1975, und "Bekenntnisse des Hochstaplers Felix Krull", 1982). Für Robert Van Ackeren fotografierte er drei, für Hans Jürgen Syberberg vier Filme. Ab 1977 arbeitete er vielfach mit dem österreichischen Regisseur Peter Patzak zusammen, mit dem er neben Kino- und Fernsehfilmen auch zahlreiche Folgen der humorvoll-ironischen Krimi-Kultserie "Kottan ermittelt" drehte; die letzte Zusammenarbeit war der Thriller "Der Joker" (1987). Neben seiner Arbeit als Kameramann lehrte Lohmann ab 1971 auch als Dozent an der Deutschen Film- und Fernsehakademie Berlin und an der Dokumentar-Abteilung der Hochschule für Fernsehen und Film München.

Anfang 1986 wurde er als Kameramann für die 12-teilige amerikanische Zweiter-Weltkriegs-Serie "War and Remembrance" ("Feuersturm und Asche") engagiert – und erhielt für seine Bildgestaltung den Preis der American Society of Cinematographers (Kategorie: Outstanding Achievement in Cinematography in Mini-Series). Nach diesem Erfolg wirkte Lohmann an einer Reihe von US-Produktionen mit. Mit dem deutschen Regisseur Carl Schenkel, der inzwischen in den USA arbeitete, drehte er vier Filme, darunter das Krebs-Drama "Two Women" ("Zwei Frauen", 1989) und den Thriller "Knight Moves" (1991). Zu seinen weiteren amerikanischen Filmen gehören der Actionfilm "Wedlock" (1991) mit Rutger Hauer und der Mystery-Thriller "Color of Night" (1994) mit Bruce Willis.

Obwohl er in Hollywood gefragt war, kehrte Lohmann über die Jahre auch nach Deutschland und Europa zurück, so etwa für die Constantin-Produktion "Salz auf unserer Haut" (1992) und das britisch-deutsche Spionagedrama "...und der Himmel steht still" (1993). Mit Chantal Akerman drehte er in New York und Paris die Komödie "Eine Couch in New York" (FR/DE/BE 1996), mit Josef Rusnak in Los Angeles den Liebesreigen "The Way We Are" (1997).  

Seine beiden letzten Filme waren amerikanische Produktionen unter der Regie von Mimi Leder: der Actionthriller "The Peacemaker" (1997) mit Nicole Kidman und George Clooney, und der Katastrophenfilm "Deep Impact" mit Morgan Freeman. Dessen Premiere im März 1998 erlebte er jedoch nicht mehr: Wenige Wochen nach dem Ende der Dreharbeiten starb Dietrich Lohmann am 13. November 1997 in Duarte, Los Angeles, an Leukämie.