Il débute sa formation en 2002 au conservatoire d’Orléans. C’est en 2008 qu’il entre à l’Ecole Régionale d’Acteur de Cannes (ERAC) pour continuer sa formation. A cette occasion il collabore avec Youri Pogrebnitchko, Hubert Colas, Robert Cantarella. Il participe à Phèdre(s) mis en scène par Charlotte Clamens et Valérie Dreville, création de fin d’étude en 2011 au théâtre de l’aquarium. 

En 2011 il intègre le groupe d’élèves-comédiens de la Comédie-Française où il joue sous la direction de Catherine Hiegel dans L’avare de Molière, Jérôme Deschamps dans Un fil à la patte de Georges Feydeau, Alain Françon dans la Trilogie de la Villégiature de Carlo Goldoni et Eric Ruff dans Peer Gynt d’Enrik Ibsen. 

En 2012 il fait partie de la troupe permanente du CDN de Besançon. Ainsi il collabore avec Philippe Lanton, Robert Sandoz et Christophe Maltot. 

A la rentrée de la saison 2013 il joue le rôle de Maurice dans Le Bourgeon de Feydeau mis en scène par Nathalie Grauwin. Il collabore en tant que comédien avec Nicolas Lormeau dans l’adaptation du roman  Elle et Lui  de Georges Sand, Fabian Chappuis dans  Andorra  de Max Frish, Armel Veilhan dans Si bleue si bleue la mer de Nis-Momme Stockmann. 

Avec la compagnie du Double il joue dans Arthur et Ibrahim ainsi que dans Projet Newman.

Par ailleurs Romain Dutheil travaille sur différents projets de cinéma et de télévision.