Był francuskim kompozytorem muzyki klasycznej końca XX wieku. Wśród czołowych francuskich kompozytorów swoich czasów, jego twórczość była zakorzeniona w impresjonistycznym stylu Debussy'ego i Ravela, ale w idiosynkratycznym, indywidualnym stylu. Do jego najbardziej znanych dzieł należą wczesna Sonatine na flet i Sonata fortepianowa; koncerty na wiolonczelę, Tout un monde lointain... ("Cały odległy świat") i skrzypce, L'arbre des songes ("Drzewo marzeń"); kwartet smyczkowy znany jako Ainsi la nuit ("A więc noc"); oraz dwie symfonie: Nr 1 (1951) i Nr 2 Le Double (1959).
Utwory zostały zamówione u niego przez tak znaczących artystów jak Charles Munch, George Szell, Mścisław Rostropowicz, Juilliard String Quartet, Isaac Stern, Paul Sacher, Anne-Sophie Mutter, Simon Rattle, Renée Fleming i Seiji Ozawa. Oprócz komponowania przez 18 lat pracował jako szef produkcji muzycznej w Radio France. Wykładał również w École Normale de Musique de Paris i Conservatoire National Supérieur de Musique, a także dwukrotnie był kompozytorem-rezydentem w Tanglewood Music Center w Lenox, Massachusetts.
Wśród wielu nagród i wyróżnień Dutilleux znalazły się Grand Prix de Rome (1938) i Ernst von Siemens Music Prize (2005). Opisując go, krytyk muzyczny Paul Griffiths napisał, że "pozycja pana Dutilleux w muzyce francuskiej była dumnie samotna. Znajdował się pomiędzy Olivierem Messiaenem i Pierre'em Boulezem, ale żaden z nich nie miał na niego większego wpływu, choć interesował się ich twórczością. Ale jego głos, naznaczony zmysłową harmonią i kolorem, był jego własnym."