I unge år studerte Dutilleux harmonilære, kontrapunkt og piano hos Victor Gallois ved konservatoriet i Douai. Fra 1933 til 1938 studerte han ved konservatoriet i Paris: harmoni og kontrapunkt hos Jean og Noël Gallon, komposisjon hos Henri Büsser og musikkhistorie hos Maurice Emmanuel. Etter andre verdenskrig arbeidet han for fransk radio, senere underviste han ved École Normale de Musique og fra 1970 ved konservatoriet i Paris.