Dès 1977, il s’intéresse à l'aménagement urbain en intégrant l’équipe du secrétariat des villes nouvelles qui anime des réflexions urbaines notamment sur la centralité, la mixité, la densité et, déjà, la maîtrise de l’énergie dans la cité.
En 1982, il est chargé de mission pour l'Exposition universelle prévue à Paris en 1989, puis en 1983 est chargé du suivi des grands projets de l'État à Paris. En 1986, la SNCF lui demande de mettre en place un atelier d’architecture qui deviendra l'AREP une décennie plus tard. Avec Étienne Tricaud, il développe les bases théoriques de la conception des grandes gares contemporaines qu’il perçoit comme des territoires nécessitant une double approche urbaine et architecturale : ouverture sur la ville, intermodalité, gestion des flux, lisibilité, développement des commerces et services.
En 1997, lauréat du concours international pour la gare TGV de Séoul, il crée, avec Étienne Tricaud, dans le groupe SNCF, l’agence AREP, équipe pluridisciplinaire qui s’investit dans la création de nombreuses gares et de l’aménagement urbain qui en découle tant en France qu’à l’étranger, et développe des études urbaines à grande échelle.
Jean-Marie Duthilleul a participé à la consultation du Grand Paris aux côtés de Jean Nouvel[1] et Michel Cantal-Dupart. Il a par ailleurs présidé de 2010 à 2012 le comité d’orientation du Plan Campus lancé par le ministère de l’Enseignement supérieur et de la Recherche.
En 2012, il crée l’Agence Duthilleul[2], pour développer sa réflexion et sa pratique dans le domaine de la composition de la ville contemporaine autour de la mobilité.
Il est un des acteurs de la consultation du Grand Paris aux côtés de Jean Nouvel[1] et Michel Cantal-Dupart. Il préside de 2010 à 2012 le comité d’orientation du Plan Campus lancé par le ministère de l’Enseignement supérieur et de la Recherche[5].
Naissances & renaissances de mille et un bonheurs parisiens avec Jean Nouvel et Michel Cantal-Dupart, Paris : Éditions du Mont-Boron, 2009
Continuer l'histoire : leçon inaugurale de l'École de Chaillot prononcée le , avec Jean-François Pousse ; Cité de l'architecture et du patrimoine Milan : Silvana, 2010
↑Daniel LICHT, « Une cathédrale virtuelle à Longchamp.L'architecte Duthilleul a reconstitué la basilique St-Pierre de Rome. », Libération, (lire en ligne, consulté le ).
↑Recueilli par Claire LESEGRETAIN, « Jean-Marie Duthilleul : «Des lieux de référence pour les catholiques» », La Croix, (lire en ligne, consulté le ).