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.

Il crée ses premières œuvres pendant la guerre (Quatre mélodies pour chant et piano, en 1943, Gêole pour chant et orchestre, en 1944).

En 1945 il est nommé Directeur du Service des illustrations musicales de la Radiodiffusion française, un poste qu'il occupera jusque en 1963.

Sa Première symphonie est présentée en 1951 par Roger Désormière et l'orchestre National.

En 1953, le ballet Le Loup est représenté par la compagnie Roland Petit.

La Deuxième Symphonie (1959) est dirigée par Charles Münch à Boston.

En 1965, c’est le tour de Les Métaboles, une de ses oeuvres les plus fréquemment jouées. Vient enfin le concerto pour violoncelle et orchestre, Tout un monde lointain, dirigé par M. Rostropovitch.

Son quatuor à cordes, Ainsi la nuit , remporte un énorme succès lors de sa première audition à Paris.

En 1967 il reçoit le Grand prix national de la musique pour l'ensemble de son oeuvre.

En 1970, il est nommé professeur de composition au Conservatoire de Paris.

L'œuvre de Dutilleux a toujours fait l'unanimité.