Ved junior-verdensmesterskabet i 2001 i Karpacz , Polen , var Dementjew verdensmester med det russiske 4x10 kilometer stafet og sluttede syvende i det individuelle løb over 30 kilometer. I sprinten sluttede han 20.. Ved junior-verdensmesterskabet i 2002 i Schonach i Schwarzwald blev han femte i sprinten og tog 18. plads over 30 kilometer. Han startede for første gang i verdensmesterskabet i januar 2003 i Kavgolovo og sluttede 13. i 10 km freestyle. På det nordiske junior-verdensmesterskab i ski i 2003 i Sollefteå vandt han bronze i 30 km massestartløb og guld over 10 km klassisk og med det russiske stafet. Han sluttede tiende i sprinten. I februar 2004 nåede han sit første podium i verdensmesterskabet med tredjepladsen med stafetten i La Clusaz og andenpladsen over 15 km klassisk i Umeå . I sæsonen 2004/05 deltog han i 12 deltagelser i individuelle verdensmesterskabsløb, seks gange i top ti. Ved sæsonens højdepunkt ved det nordiske verdensmesterskiløb i Oberstdorf i 2005 vandt han bronze med stafetten, blev 22. i løbet af 30 kilometer med stilændring og nåede 23. plads over 15 kilometer i fri teknik. I slutningen af sæsonen vandt han sin første verdensmesterskabssejr i 30 km forfølgelsesløb i Falun og sluttede sæsonen på en niende plads i den samlede verdensmesterskab og den sjette plads i verdensmesterskabet på afstand. I den følgende sæson nåede han igen et verdensmesterskabspodium med andenpladsen i 30 km massestartløb i Lago di Tesero . Ved vinter-OL 2006 i Torino var han olympisk mester i forfølgelsesløbet over 30 kilometer og vandt sølvmedaljen i løbet af 50 km, mens han var sjette i det russiske langrendestaf. I begyndelsen af sæsonen 2006/07 sluttede han som nummer to i stafetten i Gällivare og tredje i Cogne over 15 km klassisk. Ved det følgende verdensmesterskab i La Clusaz blev han tredjeplads i 30 km massestartløb, og en dag senere vandt han sin anden verdensmesterskabssejr med stafetten. Han sluttede den første Tour de Ski i 2006/07 på ottende plads. Ved det nordiske verdensmesterskiløb i ski i Sapporo 2007 var han i stand til at vinde sølvmedaljen i stafetten sammen med Nikolai Pankratow , Vasily Rotschew og Alexander Legkow og sluttede 22. i det individuelle løb over 15 kilometer i fri teknik. For at starte verdensmesterskabet, men han var fra World Ski Federation FIS med en fem-dages beskyttende barriere på grund af overdreven hæmoglobin blevet besat. I sæsonen 2007/08 vandt han tredjepladsen med stafetten i Beitostølen og en niende plads sammenlagt i Tour de Ski 2007/08 . I marts 2008 blev han den russiske mester i 30 km forfølgelsesløb.
Efter at Dementjew testede positivt for dopingmidlet erythropoietin (EPO) i dopingkontrol den 2., 3. og 19. januar 2009 , annoncerede han sin pensionering fra konkurrencesport den 26. august 2009. Tidligere havde han deltaget i verdensmesterskaberne i Liberec i marts 2009 og sluttede 22. i 50-kilometer løbet. I november 2009 suspenderede FIS Dementjew i to år med tilbagevirkende kraft fra august 2009. Efter at hans suspension var udløbet, vendte han dog tilbage til konkurrencer. Han deltager hovedsageligt i Eastern Europe Cup , som han sluttede ottende i 2012 og sjette i den samlede stilling i 2015. Ved Rollerski verdensmesterskab 2015 i Val di Fiemme vandt han sølvmedaljen i 10 km bjergløb og guldmedalje i 25 km massestartløb. I sæsonen 2015/16 kom han som nummer tre gange i Østeuropa Cup og vandt den samlede stilling i slutningen af sæsonen. Han vandt også 15 km klassikeren i Alpine Cup i Hochfilzen . I marts 2016 vandt han Demino Ski Marathon . I 2018 sejrede han i Gsieser Tal-Lauf- klassikeren over 42 km og opnåede tredjepladsen i den samlede placering af Rollerski verdensmesterskabet med en tredjeplads og to førstepladser . Det følgende år vandt han Ugra Ski Marathon over 50 km freestyle. I sommeren 2019 kom han på andenpladsen i den samlede placering af Rollerski verdensmesterskabet med tre sejre .
Rusland
.svg){kind=small}
Falun
La Clusaz
Hochfilzen
Val di Fiemme
