Уже в первой половине 1930-х годов Дмитрий Тёмкин стал востребованным композитором, которого приглашали сочинять музыку прежде всего для вестернов — жанра, получившего в это время широчайшее распространение в американском кино. Вестерны были героико-приключенческими фильмами об освоении Дальнего Запада Северной Америки, в них происходило столкновение характеров, и каждый раз необходимы были яркие музыкальные образы, в создании которых смог специализироваться Тёмкин. Когда его позже спрашивали, как он, выходец из совершенно другой жизненной среды, смог столь адекватно отразить в своей музыке дух американского Запада, он с улыбкой отвечал: «Я вырос в степной России. А степь — она и есть степь». Это была, разумеется, отговорка. Дело заключалось в том, что бесспорный композиторский талант сочетался у Тёмкина с жаждой познания нового и воплощения его в своем искусстве.
В середине 1930-х годов Дмитрий Тёмкин встретился с режиссером и продюсером итальянского происхождения Фрэнком Капрой. Знакомство переросло в тесную дружбу и совместную работу.
Первым фильмом Фрэнка Капры, музыку к которому написал Тёмкин, было драматическое повествование с элементами мистики под названием «Потерянный горизонт» (1937), созданное для компании «Коламбия пикчерз». Композитор тонко уловил повороты сюжета, связанного с похищением группы британцев во время беспорядков в Китае, их неожиданным освобождением местными жителями и их попаданием в вымышленную таинственную страну Шангри-Ла. В критике, в частности музыковедческой, отмечалось, что, работая над фильмом, Тёмкин энергично экспериментировал, использовал необычные комбинации тембра, добивался того, чтобы инструментовка была созвучна голосовым данным актеров.
Вслед за этим Дмитрий Тёмкин занялся новым смелым делом, которое он даже вначале считал почти авантюрным. Французский режиссер Жюльен Дювилье был приглашен в Голливуд фирмой Эм-джи-эм для подготовки фильма о великом композиторе Иоганне Штраусе, который был известен как «король вальсов». Фильм был назван «Большой вальс». Он вышел на экраны в 1938 году, получил огромный успех как в США, так и за их пределами (в том числе в СССР), был номинирован на ряд «Оскаров», в том числе за редактирование музыкального текста.
Естественно, в фильме звучала музыка самого Иоганна Штрауса. Но ее необходимо было обработать так, чтобы все музыкальные фрагменты, прежде всего вальсы, соответствовали сюжетным ходам фильма, замыслам режиссера. За эту нелегкую работу взялся Тёмкин, которому удалось преодолеть обоюдоострые опасности: то ли просто воспроизвести музыку Штрауса на экране, чего оправданно не желал режиссер, то ли извратить творения гениального композитора, извлекая просто обрывки из его произведений. И режиссер Жюльен Дювилье, и последующая критика сходились в том, что Тёмкин блестяще справился с поставленной задачей, донеся музыку Штрауса через экран до многомиллионной аудитории.
В годы Второй мировой войны Дмитрий Тёмкин продолжал писать музыку для художественных фильмов и вместе с тем принял участие в создании документальных лент «Разделяй и властвуй», «Битва за Англию», «Битва за Россию», «Битва за Китай». За эти работы он был удостоен специальных премий военного ведомства США. Заслуги Тёмкина особо отмечал начальник штаба армии генерал Джордж Маршалл. Командованию и критике особенно импонировала музыка Тёмкина к фильму «Негритянский солдат», в котором использовались мелодии и напевы чернокожего населения США в попытке показать, что негры, являясь составной частью североамериканской нации, не только вносят вклад в ведение военных действий, но и пользуются соответствующими благами, доступными всем военнослужащим страны.
Это было далеко не так: в вооруженных силах сохранялась расовая сегрегация, то есть отделение черных от белых. Но в пропагандистских целях важно было показать положение черных несколько идеализированно, и Тёмкин принял в этом участие.
В послевоенный период композитор продолжал в основном писать музыку, теперь уже исключительно к художественным фильмам. В 1952 году вышла картина с его произведениями и всем музыкальным фоном, которые оказались, по мнению критики и зрителей, особенно удачными.
Вестерн под названием «Ровно в полдень», описывавший мужественную борьбу полицейского-одиночки против бандитов, борьбу человека, которого предают его подчиненные и товарищи, уже в то время рассматривался как выдающаяся работа этого жанра, а позже стал оцениваться как своего рода классическое произведение. При этом в критике подчеркивается особая роль ведущей мелодии фильма и песни Дмитрия Тёмкина, названной так же, как и сама картина. Баллада «Ровно в полдень» на долгое время стала одним из любимых музыкальных произведений американцев. Любопытно отметить, что ее знали и повторяли столь различные, противоположные по взглядам американские деятели, как президенты Дуайт Эйзенхауэр, Рональд Рейган, Билл Клинтон.