Към 17 часа на 11 март (26 февруари стар стил) 1907 година Димитър Петков е прострелян с пистолет и умира близо до къщата на Сърмаджиев на булевард „Цар Освободител“ в София. При атентата е ранен и придружаващият го министър на търговията и земеделието Никола Генадиев.Нападението е извършено от Александър Петров, наскоро уволнен чиновник от Българската земеделска банка, с подбудителството на хора от редакцията на свързания с Народната партия вестник „Балканска трибуна“. През юни Петров е осъден на смърт и обесен.
Димитър Петков е погребан между гробовете на Стефан Стамболов, убит при подобни обстоятелства, и Димитър Греков.
При Стамболовото управление Петков е кмет на София (1888-1893), председател на парламента (1892-1893) и член на правителството (1893-1894). От 3 до 17 май 1893 г. е председател на IV велико народно събрание.
Като кмет на София Димитър Петков проявява забележителна енергия и размах. В реч пред Градския съвет от 1889 г. той очертава посоката за развитие на града и убеждава съветниците да гласуват за сключване на огромен за времето си десетмилионен заем от Лондонската банка, предназначен за градоустройство.
С помощта на този заем през следващите години започва прокарването на улици и канализацията им. Константин Иречек описва това така: "прокарват се безпощадно нови улици и до стара София се изгражда нов... почти модерен град“.
През 1892 г. се провежда международен конкурс за проект на софийската канализация. Спечелен е от Момчил Момчилов с предложение за обща мрежа за отвеждане на битовите отпадни и дъждовните води. Изграждането на канализацията започва в края на века, а към 1910 г. вече са канализирани над 80% от улиците.
Наред с развитието на градската инфраструктура обаче Димитър Петков безпощадно и невежествено се отнася към старините на София. По изричното му разпореждане са безвъзвратно разрушени 6 средновековни църкви със стенописи.
Димитър Петков става свидетел на убийството на Стефан Стамболов през 1894 година, за което обвинява княз Фердинанд I. През следващите години издава сатиричния вестник „Свирка“, за което получава прозвището Свирчо. След смъртта на Димитър Греков през 1901 г. оглавява Народнолибералната партия и става вътрешен министър в правителството на Рачо Петров (1903-1906).
Доста по-късно, през 1910 година, парламентарна анкета установява, че докато е управлявал, в качеството си на вътрешен министър, Фонда за подпомагане на бежанците от Македония и Одринска Тракия Димитър Петков е внасял парите от фонда в лична лихвена сметка в Българската народна банка. След смъртта му с тези пари продължава да се разпорежда настойникът на децата му. Подобни злоупотреби са обичайни за министрите през онзи период.
В края на 1906 Петков застава начело на правителството. През декември е обявена обща стачка в железниците, но правителството отхвърля правото на стачка и използва армията, за да не се прекъсне работата на железопътния транспорт.
Друго значително събитие през няколкото месеца на това правителство е Университетската криза. През януари 1907 г. студентите освиркват княз Фердинанд при откриването на Народния театър. Провеждат се дебати в парламента и се вземат строги мерки: правителството затваря висшето училище за 6 месеца и уволнява професорите. Гласуван е нов закон за университета, който ограничава академичната автономия. Всяка критика срещу държавния глава се забранява, а за вестниците и журналистите, които нарушават забраната, се предвижда конфискация, глоба и затвор.
