Mit Beginn der &lt;a href="Biathlon-Weltcup%202012/13"&gt;Saison 2012/2013&lt;/a&gt; gehörte Desthieux dem französischen Weltcup-Kader an. Im vierten Rennen seiner Debütsaison gewann er als 37. des Sprints von Hochfilzen erste Weltcuppunkte. Am Ende des Winters standen acht Platzierungen unter den besten 40 mit einem 19. Rang als bestem Einzelergebnis und zwei Staffeleinsätzen, darunter einem fünften Platz. Über die folgenden Winter etablierte er sich im französischen Nationalteam, in dem Martin Fourcade als Seriensieger im Gesamtweltcup die führende Position einnahm und im Zentrum der öffentlichen Aufmerksamkeit stand. Dahinter gehörte Desthieux – unter anderem gemeinsam mit dem wenige Monate jüngeren Quentin Fillon Maillet – zum Kern einer immer stärker werdenden verjüngten Mannschaft: Im Dezember 2014 stand er in Hochfilzen mit der Staffel erstmals auf dem Weltcuppodest, zwei Jahre später feierte er auf der Pokljuka gemeinsam mit Fourcade, Fillon Maillet und Jean-Guillaume Béatrix seinen ersten Weltcupsieg. In der gleichen Besetzung gewann die Staffel im Februar 2017 die Silbermedaille bei der Weltmeisterschaft. Bei den olympischen Wettkämpfen 2018 in Pyeongchang gewannen Desthieux, Fourcade, Marie Dorin-Habert und Anaïs Bescond die Mixed-Staffel, Desthieux wurde somit zu einem von sechs französischen Olympiasiegern des Jahres.