Aficionado a la arqueología visita Monte Athos, Siria y Asia Menor, despertando estos hallazgos su interés por la historia antigua de la Iglesia católica.

Enseñó en la Ecole Pratique des Hautes, donde influyó a Alfred Loisy, uno de los fundadores del Modernismo teológico, movimiento condenado formalmente bajo el pontificado de Pío X en la encíclica Pascendi dominici gregis.

El Abad Duchesne estaba en correspondencia constante con historiadores de ideas afines, como eran los bolandistas, un grupo de colaboradores jesuitas que prosigue la obra hagiográfica iniciada en el siglo XVII por el sacerdote Jean Bolland (1596-1665) en Amberes, dedicada a la recopilación de todos los datos posibles sobre los santos católicos.

También escribió Les Sources du martyrologe hyéronimien, Origines du culte chrétien, Fastes épiscopaux de l'ancienne Gaule y Les Premiers temps de l'État pontifical.

En 1906 publica su Histoire ancienne de l'Église, obra que fue considerada modernista pasando a formar parte del Índice de libros prohibidos (Index librorum prohibitorum) en 1912.