W 1982 roku ukończył studia z zakresu matematyki stosowanej na Wydziale Podstawowych Problemów Techniki Politechniki Wrocławskiej. Studiował także na Wydziale Filozofii Chrześcijańskiej Katolickiego Uniwersytetu Lubelskiego, gdzie w 1985 obronił doktorat z logiki formalnej. W czasie stanu wojennego działacz „Solidarności”. W 1989 roku został sekretarzem wrocławskiego Komitetu Obywatelskiego „Solidarność”, a w 1990 jego przewodniczącym.

Był pracownikiem naukowym Katolickiego Uniwersytetu Lubelskiego (1982–1992) i Uniwersytetu Wrocławskiego (1989–1994), a także stypendystą Katholischer Akademischer Ausländer-Dienst we Freiburgu. Po powrocie ze stypendium w latach 90. założył polski oddział „Signium International”, międzynarodowej firmy zajmującej się wyszukiwaniem kadr kierowniczych. Był także współtwórcą Radia Eska we Wrocławiu.

Był pierwszym prezydentem Wrocławia wybranym w wyborach bezpośrednich w 2002 roku. Urząd prezydenta pełnił nieprzerwanie przez cztery kadencje do 2018 roku.

W okresie prezydentury Rafała Dutkiewicza we Wrocławiu PKB per capita wzrosło kilkukrotnie, bezrobocie spadło z 13% niemal do zera, ruch turystyczny wzrósł pięciokrotnie (do 5 mln), a ruch lotniczy 15-krotnie. Zrealizowano również największy w okresie powojennym program inwestycyjny. Według badań (z 2018 roku) dotyczących tempa rozwoju ekonomicznego, które objęły 200 miast europejskich liczących powyżej 250 000 mieszkańców, Wrocław zajmuje 3. miejsce w Unii Europejskiej, ustępując jedynie Dublinowi i Pradze. W 2016 roku Wrocław był Europejską Stolicą Kultury, w latach 2016 – 2017 Światową Stolicą Książki. W 2017 roku zorganizowano we Wrocławiu igrzyska „The World Games” – największą sportową imprezę w historii Polski. W 2017 roku uznano Wrocław za najlepsze w Polsce miasto do pracy i do zamieszkania. W 2018 roku Wrocław uzyskał tytuł „European Best Destination”. W rankingu reputacji pod koniec prezydentury Rafała Dutkiewicza Wrocław zajął pierwsze miejsce, równocześnie badania pokazały, że marka „Wrocław” stała się jednym z najsilniejszych brandów w kraju. Od kwietnia 2019 przebywał w Berlinie, w elitarnym gronie Richard von Weizsäcker Academy na zaproszenie Fundacji Boscha.

Jako jeden z niewielu Polaków przemawiał w 2019 roku w Bundestagu w czasie jednego z niemieckich świąt państwowych (w czasie poprzedzającej oraz następującej po 2019 roku edycji tegoż święta w Bundestagu przemawiali prezydent Francji Emmanuel Macron oraz późniejszy król Wielkiej Brytanii Książe Karol).

Z początkiem 2020 roku został Senior Fellow w Democracy Study Center w Kijowie.

Członek rady Uniwersytetu Wrocławskiego (2019 – 2023), przez wiele lat był członkiem, a następnie członkiem honorowym senatu Ukraińskiego Uniwersytetu Katolickiego we Lwowie. Za zasługi dla rozwoju nauki w Europie, jako pierwszy i jedyny do tej pory Polak, został wyróżniony honorowym członkostwem Academia Europaea (największej europejskiej akademii naukowej). Jest również członkiem honorowym amerykańskiego think-tanku „Atlantic Council”, a także członkiem Rady „Fundacji Batorego” oraz przewodniczącym Rady „Kolegium Europy wschodniej im. Jana Nowaka-Jeziorańskiego”.

Laureat wielu nagród i wyróżnień:

• otrzymał m.in. nagrodę tygodnika „Newsweek” za pierwsze miejsce w rankingu prezydentów miast, trzykrotnie: 2010, 2011, 2012, następnie zaś – ponieważ poprosił o wycofanie go z tego konkursu – przyznano mu tytuł „Superprezydenta” (2013),
• Krzyż 95 Lat Związku Inwalidów Wojennych RP (2014),
• jako pierwszy Polak otrzymał „Erich Kästner-Preis” – nagrodę przyznawaną przez Presseclub Dresden za zasługi w krzewieniu idei tolerancji, humanitaryzmu i dialogu między narodami (2015),
• Nagrodę Narodową Niemiec (2017),
• jako pierwszy i jedyny do tej pory Polak otrzymał „Jerusalem Prize” – nagrodę przyznawaną przez World Zionist Organization za zasługi dla państwa Izrael i wspólnoty polsko-żydowskiej (2019),
• Godło Promocyjne Fundacji Orła Białego (2019),
• „Europaurkunde” – wyróżnienie nadawane przez rząd Brandenburgii (2019),
• Order Zasługi Wolnego Kraju Saksonii (2019).

Odznaczony Krzyżem Oficerskim Orderu odrodzenia Polski (2009) oraz Krzyżem Komandorskim Orderu Odrodzenia Polski (2015), a także wieloma odznaczeniami międzynarodowymi: Orderem Gwiazdy Solidarności Włoskiej (2006), belgijskim Orderem Korony (2006), szwedzkim Orderem Gwiazdy Polarnej (2011), francuską Legią Honorową (2013) oraz Krzyżem Zasługi I Klasy Orderu Zasługi Republiki Federalnej Niemiec (2017).

Otrzymał doktorat honorowy Politechniki Wrocławskiej (2020) oraz Uniwersytetu Coventry (2023).

Od kwietnia 2023 jest prezesem zarządu Pracodawców RP.