Jean Duthilleul obtient son diplôme de l'École des Beaux-Arts de Paris le 13 novembre 1945. Il s'installe d'abord à Boulogne-sur-Mer, puis rapidement à Paris.
Architecte résolument moderne, dès 1958, à la demande de Pierre Sudreau, commissaire à la Construction et à l'Urbanisme de la région parisienne puis ministre de la Construction, Jean Duthilleul réalise avec Pierre Sonrel un premier grand ensemble à cheval sur les communes de Massy et Antony. Dans le cadre de ce projet, il conçoit également un centre commercial à ciel ouvert, le plus grand jamais conçu à l'époque.
Jean Duthilleul a aussi participé au mouvement de décentralisation, notamment celui de la Culture en édifiant de nombreux projets régionaux de Maisons de la Culture. Avec son associé Pierre Sonrel, ils conçoivent ainsi les trois premières Maisons de la Culture à Bourges, Amiens et Orléans.
Ce célèbre architecte n'est autre que le père de Jean-Marie Duthilleul.