Henri Dutilleux wurde am 22. Januar 1916 im französischen Angers geboren. Früh begann er sein Studium in den Fächern Klavier, Harmonielehre und Kontrapunkt bei Victor Gallois am Konservatorium in Douai. Später besuchte er das Pariser Konservatorium, wo er bei Jean und Noël Gallon (Harmonie und Kontrapunkt) sowie bei Henri Paul Busser (Komposition) und Maurice Emmanuel (Musikgeschichte) studierte. Er verdiente zunächst seinen Unterhalt als Pianist, Arrangeur und Lehrer und wurde 1942 Chorleiter an der Pariser Oper. Von 1945 bis 1963 war er Leiter der Musikproduktionen beim französischen Rundfunk ORTF. Er war Dozent an der École Normale de Musique de Paris und Gastprofessor am Pariser Konservatorium.
Henri Dutilleux gehörte nie einer bestimmten Kompositionsrichtung an, war aber regelmäßig in Kontakt mit Zeitgenossen wie André Jolivet, Darius Milhaud, Francis Poulenc und Georges Auric. Der internationale Durchbruch gelang gleich mit seiner ersten Sinfonie. Neben sinfonischen Werken schrieb er Kammermusik, Solokonzerte und Ballettmusik.
Unter anderem erhielt er den Grand Prix de Rome, den französische Grand Prix National de la Musique, den Praemium Imperiale in Anerkennung seines Gesamtwerkes, den Cannes Classical Award und den Grand Prix de la Presse Musicale Internationale, den Ernst von Siemens Musikpreis, den MIDEM Lifetime Achievement Award und den Marie-Josée Kravis Prize for New Music at the New York Philharmonic. Henri Dutilleux war Ehrenmitglied der American Academy and Institute of Arts and Letters und gehörte der Académie Royale de Belgique an.
Henri Dutilleux starb am 22. Mai 2013 in Paris.