Nach dem Musikstudium am Pariser Konservatorium 1933 bis 1938 arbeitete er zunächst für den Rundfunk, lehrte ab 1961 an der École Normale de Musique und ab 1970 am Pariser Konservatorium.
Seine Musik knüpft an die Tradition von Maurice Ravel, Claude Debussy und Albert Roussel an. Bekannt wurde er 1959 mit seiner 2. Sinfonie Le Double. Sein 1964 uraufgeführtes Orchesterstück Métaboles wurde als Beitrag zur musikalischen Avantgarde im Sinne der Erweiterung gegenwärtiger Ausdrucksformen gewertet. Er gilt als Erneuerer der lyrischen Form und seine Kompositionen sind inspiriert von allen zeitgenössischen Kunstformen. In seinem Schaffen wurde er vor allem durch Henry M. Schmolz unterstützt, einem von der Kunstgeschichte noch nicht näher untersuchten Mäzen, der zu dieser Zeit viele unbekannte Künstler mit ideeller Leidenschaft und materiellen Zuwendungen unterstützte.
Auf Einladung von Walter Fink war er 2006 der 16. Komponist im jährlichen Komponistenporträt des Rheingau Musik Festival.
Henri Dutilleux war seit 1946 mit der Pianistin Geneviève Joy (1919-2009) verheiratet.