首先分析各选项中肌肉的位置和主要功能：
选项 A：肱二头肌位于上臂前面，主要作用是屈肘关节，使前臂旋后，与伸膝关节毫无关系，所以该选项错误。
选项 B：股二头肌位于大腿后面外侧，它的主要功能是屈膝关节、伸髋关节，是屈膝的主要肌肉之一，并非伸膝关节的主要肌肉，所以该选项错误。
选项 C：肱三头肌位于上臂后面，主要作用是伸肘关节，与膝关节的运动没有关联，所以该选项错误。
选项 D：股四头肌是大腿前侧的一块强大的肌肉，它由股直肌、股中肌、股外侧肌和股内侧肌组成。股四头肌的主要功能是伸膝关节，是伸膝关节的主要肌肉，该选项正确。当股四头肌收缩时，可牵拉髌骨，通过髌韧带作用于胫骨粗隆，从而使膝关节伸直。
选项 E：臀大肌位于臀部，主要功能是伸髋关节，使大腿后伸和外旋，与伸膝关节的功能无关，所以该选项错误。
综上，伸膝关节的主要肌肉是股四头肌，正确答案是 D。