Ultimo di cinque fratelli, figli di Anne-Marie Renée Gourlay e di Jacques Duchesne, la sua era una modesta famiglia di marinai cattolici e antichi corsari bretoni. Nel 1849, all'età di 6 anni, rimase orfano per la scomparsa del padre al largo di Terranova nel naufragio del peschereccioEuphémie. In quello stesso anno, anche il fratello maggiore Jean-Baptiste scampò al naufragio dell'Etoile du matin mentre partecipava a una missione marista in Oregon.
Nel 1887 pubblicò i risultati della sua tesi, seguiti dalla prima edizione critica completa del Liber Pontificalis (anche Theodor Mommsen stava lavorando a un'edizione critica dell'opera, ma non riuscì a portarla a compimento). In un'epoca difficile per la storiografia critica che applicava metodi moderni alla storia ecclesiastica, cercando una convergenza tra archeologia e topografia per suffragare le fonti letterarie, e descrivendo gli eventi ecclesiastici nel contesto della storia sociale, l'abbé Duchesne era in costante corrispondenza con storici dello stesso filone fra i Bollandisti, che lavoravano a edizioni critiche delle agiografie.
Scrisse anche Les Sources du martyrologe hyéronimien ("Fonti del martirologio geronimiano"), Origines du culte chrétien ("Origini del culto cristiano"), Fastes épiscopaux de l'ancienne Gaule ("Fasti episcopali dell'antica Gallia") e Les Premiers temps de l'État pontifical ("Le origini dello Stato pontificio"). Queste opere ricevettero il plauso universale, tanto da essere nominato commendatore della Legion d'onore. La sua Histoire ancienne de l'Église ("Storia antica della Chiesa"), di impianto storico più che teologico, ottenne l'imprimatur all'edizione francese, fu messa all'Indice nel 1912 dopo la traduzione italiana di Nicola Turchi; Duchesne si sottomise e sospese la pubblicazione del quarto volume che uscì poi postumo a cura di Henri Quentin col titolo L'Église au VIe siècle [La Chiesa nel VI secolo][2].
(FR) Le Liber Pontificalis : Texte, introduction et commentaire, collana Collezione Bibliothèque de l'École française de Rome, 2, Paris, Ernest Thorin, vol 1 : 1886, vol. 2 : 1892.
(FR) La Primatie d'Arles, III, Daupeley-Gouverneur, estratto da Mémoires de la Société nationale des antiquaires de France, 1893.
(FR) Les premiers temps de l'Etat pontifical (754-1073), Paris, Albert Fontemoing, 1898.
(FR) Le Concile de Turin, in Extrait de la "Revue historique", T. LXXXVII, Nogent-le-Rotrou, Daupeley-Gouverneur, 1905.
(FR) Histoire ancienne de l'Église, Paris, Fontemoing & Cie, 1907-1910.
Storia della Chiesa antica: prima traduzione italiana sulla quinta edizione francese riveduta ed approvata dall'Autore (3 voll.) [Histoire ancienne de l’Église], Roma, Desclée e C.i., 1911. (Vol. I, Vol. II, vol. III)
^Copia archiviata, su sofn.org.uk. URL consultato l'11 aprile 2005 (archiviato dall'url originale il 29 aprile 2005).
^ Gina Fasoli, «Storia ecclesiastica», in Dizionario Bompiani delle opere e dei personaggi di tutti i tempi e di tutte le letterature, IX, Milano, RCS Libri, 2005, p. 9725.
