Edmond Duthoit est l'un des plus fidèles élèves d'Eugène Viollet-le-Duc qui l'appelait : « mon jeune aide de camp ». Aimé et Louis Duthoit, ses père et oncle, travaillent également auprès de Viollet-le-Duc. Edmond Duthoit a la charge, entre autres, de s'occuper de certains bâtiments, sur place, alors que son maître est obligé de faire continuellement des « tours » de France pour visiter chaque site.

C'est au château de Roquetaillade qu'il fait ses plus belles interventions, en collaboration étroite avec Viollet-le-Duc. Il suit sur place, pour son maître, les travaux de décoration et la création du mobilier de 1864 jusqu'à la chute de Napoléon III en 1870, date à laquelle, faute d'argent, le chantier s'arrête. Edmond Duthoit finit le chantier de 1875 à 1878, notamment les décors de la chapelle du XIIe siècle. Les décors de Roquetaillade sont uniques car ils sont certainement le seul exemple en France d'un travail complet de Viollet-le-Duc : architecture, restauration, décoration, mobilier et objets.

Durant ses voyages d'adolescence en Espagne du Sud, en Afrique du Nord et au Moyen-Orient, Edmond Duthoit découvre l'art mauresque. Chargé de mission en Orient, il accompagne en 1861-1863 et 1862-1864, en Syrie et à Chypre, le comte Melchior de Vogüé. Il collabore à la publication de l'Architecture civile et religieuse du Ier au VIIe siècle en Syrie, d'où le nom de la salle des antiquités chypriotes au Louvre : Voguë-Duthoit. Il réalise une série impressionnante de dessins sur les monuments du Proche Orient et d'Algérie. Il est chargé par le gouvernement français d'arbitrer un conflit qui oppose en 1872, la municipalité de Tlemcen et la population au sujet d'un aménagement urbain portant atteinte à la Grande mosquée de la ville. Il est de 1880 à sa mort, architecte en chef des monuments historiques d'Algérie et participe à la mise en place des fouilles archéologiques des sites romains de Tipaza, Timgad, Djémila en Algérie et d'autres en Tunisie.

Nommé en 1866 inspecteur des Monuments historiques des départements de l'Oise et de la Somme, il s'installe à Amiens en 1870 et partage son temps entre la Picardie et l'Algérie. C'est à partir de 1884, qu'il réalise son chef-d’œuvre, la basilique Notre-Dame de Brebières à Albert dans la Somme, monument majestueux, inspiré à la fois de l'art byzantin et de l'art mauresque, où l'on peut déceler l'influence de l'architecte Léon Vaudoyer.

Il a été membre de la Société des antiquaires de Picardie.