Из дворян. Родился в семье военного в Санкт-Петербурге. Окончил Пажеский корпус (1894), Николаевскую академию Генерального штаба (1900). Участник Русско-японской войны, сражался под Ляояном и при Мукдене. Восприемник от купели наследника российского престола А. Н. Романова (1904). Во время Первой мировой войны начальник штаба 3-й армии, в 1916 г. участвовал в наступлении Юго-Западного фронта («Брусиловский прорыв»). В сентябре 1916 г. вместе с возглавляемой им 2-й Особой пехотной бригадой направлен на Балканы для поддержки сербской армии. Награжден орденом Почётного легиона.

После Февральской революции вернулся в Россию. В августе–сентябре 1917 г. начальник штаба Особой Петроградской армии. После провала Корниловского выступления избежал ареста. В сентябре–ноябре 1917 г. генерал-квартирмейстер Ставки. В ноябре 1917 г. начальник штаба Верховного главнокомандующего Н. Н. Духонина, во время убийства которого спасся благодаря помощи французской военной миссии в Могилеве.

С марта 1918 г. начальник штаба Чехословацкого корпуса. Участник восстания корпуса и свержения советской власти во Владивостоке, Хабаровске.

В начале 1919 г. А. В. Колчак назначил убежденного монархиста Дитерихса руководителем комиссии по расследованию убийства членов царской семьи в июле 1918 г. В июле 1919 г. командующий Сибирской армией, в июле–ноябре 1919 г. командующий Восточным фронтом, в августе–октябре 1919 г. одновременно начальник штаба Верховного главнокомандующего А. В. Колчака.

В августе–октябре 1922 г. возглавлял Приамурский земский край, который впервые за всю историю Белого движения признал Дом Романовых «царствующим». Выступал за созыв выборного Земского собора, составленного по сословному принципу, которому предстояло санкционировать возобновление в России династического правления. На заседании Приамурского земского Собора избран Правителем Дальнего Востока, Земским Воеводой, возглавлял армию Земского края (Земскую рать, бывшая Дальневосточная армия). После поражения Земской рати от войск Дальневосточной Республики в октябре 1922 г. с остатками армии покинул Россию. Скончался в Шанхае в 1937 г.