Футбольное воспитание Дмитрия Сычева еще в детстве взял на себя его отец Евгений Михайлович, сам игравший в футбол в различных омских клубах и часто бравший сына на тренировки. Однако прежде чем окончательно сосредоточиться на занятиях футболом, Сычев пробовал себя и в хоккейной секции, более привычной для сибирских ребят.
«Звездой в хоккее я бы, конечно, не стал. Добротным таким игроком, на котором все пашут. Не обязательно даже нападающим. В общем, не затерялся бы, это точно», - вспоминает Дима.

До прихода в «Локомотив» Сычев успел пройти просмотр в дубле «Зенита» в 2000-м, поиграть за тамбовский «Спартак» - в 2001-м, перейти в одноименный столичный клуб – в 2002-м, а год спустя попробовать свои силы в марсельском «Олимпике». В своем первом еврокубковом матче Дмитрий забил гол, который стал единственным в двухматчевом противостоянии с венской «Аустрией» и позволил его команде стартовать в групповом турнире Лиги чемпионов.

В 2004 году Сычев принимает решение вернуться в российский чемпионат. Главный тренер «Локо» Юрий Семин как раз искал форварда подобного плана, способного встроиться в командный механизм железнодорожников и успешно завершать атаки. В результате недолгих переговоров 8 января 2004 года Дмитрий стал игроком «Локомотива». Уже в первом сезоне Сычев стал тем самым звеном, которого не доставало железнодорожникам для победы в первенстве. Забив 15 голов и став чемпионом России, Дмитрий абсолютным большинством голосов своих коллег был признан лучшим футболистом страны.

Следующий сезон, напротив, стал самым сложным в красно-зеленой карьере Сычева. В начале августа в Казани лидер нападения железнодорожников получает разрыв крестообразных связок. «Локомотив» в его отсутствие выбывает из Лиги чемпионов, а потом и упускает чемпионский титул, растеряв значительный очковый запас.

К концу 2009 года Дмитрий Сычев в свои 26 лет стал одним из самых опытных игроков «Локо», проведя в команде шесть сезонов и выиграв в ее составе все возможные титулы в стране.