Коля родился 9 марта 1933 года, в Москве, в семье художников по текстилю Фёдора Николаевича и Наталии Николаевны Дмитриевых. Семья жила на Арбате, в Плотниковом переулке, дом 10. Лето обычно проводил в Подмосковье. С раннего детства Коля любил, чтобы взрослые читали и рисовали для него,слушал и сам придумывал сказки, любил петь, проявляя большие музыкальные способности.
В 1939 году он начал увлечённо рисовать.Сохранился маленький альбомчик с рисунками, подаренный Колей отцу.
Осенью 1940 года Коля поступил в детскую музыкальную школу Киевского района,которая закрылась с началом войны.
Всю войну семья жила в Москве. Коля много рисовал карандашом, причём в альбомах этого времени преобладали военные темы. Родители много времени уделяли занятиям сына рисованием.
В сентябре 1942 года Коля поступил в первый класс школы №61.
С января 1944 года он начал посещать художественную студию при Доме пионеров Киевского района,которой руководил педагог Сергей Николаевич Яковлев. В марте 1945 года поступил во второй класс детской художественной школы Киевского района, где учился у педагога Михаила Семёновича Перуцкого,одновременно продолжая занятия в студии С.Н. Яковлева.
Весной 1946 года Коля окончил четвёртый класс общеобразовательной и третий класс художественной школ.К этому времени относится работа над композициями, иллюстрациями к роману А.Н. Толстого "Пётр Первый", басням И.А. Крылова.Тогда же Ф.Н. Дмитриев показал Колины рисунки своему троюродному брату, известному театральному художнику В.В. Дмитриеву. Коля познакомился с семьёй Владимира Владимировича; с его братом Львом Владимировичем, с которым впоследствии часто ходил в театр, в том числе на премьеры и генеральные репетиции спектаклей, оформленых В.В. Дмитриевым.
В августе 1946 года Колю Дмитриева приняли в первый класс Московской средней художественной школы имени В.И. Сурикова (МСХШ), где он учился два года у педагога Антонины Петровны Сергеевой, ученицы В.А. Серова. Он много читал, собирал книги по искусству, часто ходил в Третьяковскую галерею, на художественные выставки, концерты.
С 1947 года Коля особенно увлёкся работой в технике акварели, делая в ней быстрые успехи. Много писал с натуры - пейзажи, натюрморты, портреты, наброски. Лето провёл на школьной практике в подмосковном селе Подмоклове, на Оке.
Родные показали работы Коли И.Э. Грабарю, Г.С. Верейскому. Последний прислал книгу-альбом "Рисунки В.А. Серова" с надписью: "Будущему художнику Коле Дмитриеву". Тогда же Коля познакомился с троюродным братом бабушки В.С. Мамонтовым (сыном Саввы Мамонтова).
В 1948 году Коля познакомился с П.П. Кончаловским, А.Б. Юмашевым. Начал вести дневник (последняя запись - о внезапной смерти 5 мая В.В. Дмитриева).
В этом же году Коля был переведён в третий класс МСХШ.
В июне родители отвезли Колю с сестрой Катей на лето в деревню Репинку Калининской (ныне Тверской) области. Предполагалось, что, завершив срочную работу в Москве, они вернутся в деревню, но тяжёлая болезнь Фёдора Николаевича помешала этому.
В Репинке Коля очень много работал; за два месяца создал около 150 акварелей ( преимущественно пейзажей) и рисунков.
11 августа он написал письмо своему другу Виталию Вольфу...
12 августа Николай Дмитриев погиб в результате несчастного случая на охоте в возрасте 15 лет и 5 месяцев.

Главная страница