C'est en 1933 qu'il rentre au Conservatoire de Paris, où il a pour maîtres Noël Gallon (contrepoint et fugue), Philippe Gaubert (direction d'orchestre) et Henri Busser (composition). Il en sort avec un premier prix d'harmonie, puis de contrepoint et de fugue, avant d'obtenir le Grand Prix de Rome de composition en 1938. Ses premières oeuvres seront créées pendant la guerre (Quatre mélodies pour chant et piano, en 1943, Gêole pour chant et orchestre, en 1944).
Nommé en 1945 Directeur du Service des illustrations musicales de la Radiodiffusion française (poste qu'il occupera jusqu'en 1963), il est en contact avec des musiciens de toutes les tendances, ce qui contribue énormément à enrichir sa propre expérience de compositeur : sa première symphonie est créee en 1951 par Roger Désormière et l'orchestre National, le ballet Le Loup en 1953 par la compagnie Roland Petit... La Deuxième Symphonie (1959), créée
Grand prix national de la musique en 1967 pour l'ensemble de son oeuvre, il est nommé en 1970 professeur de composition au Conservatoire de Paris.
Peu abondante, mais d'une exceptionnelle qualité, l'oeuvre de Dutilleux a toujours fait l'unanimité. Refusant tout systématisme, son langage, très personnel, se caractérise par une grande souplesse rythmique et mélodique, qui s'appuie sur une instrumentation raffinée et subtile. Reflet d'une profonde vérité intérieure, elle allie poésie et imagination à une recherche d'écriture dense et complexe.