Né à Paris, de Léon de Bouthillier, secrétaire d'État, et d'Anne Phélypeaux.
Docteur en Sorbonne (A. Jean).

Aumônier du roi nommé le 10 juin 1666 (Horowski p. 419), il remplace l'abbé François Tallemant probablement seulement en 1667 (Horowski p. 309), quartier d'avril (État de la France 1669, 1672 et 1674). Est cité dans les documents de la Cour des aides pour les années 1668 à 1675 (Z(1) A 474 et Z(1) A 475). Démissionne de la charge le 3 février 1676 (Horowski p. 419) ; le 17 juillet 1676, son successeur est Jean de La Croix de Chevrières (O(1) 20 fol 208v-209).
Est cité dès 1669 comme abbé commendataire de Notre-Dame d'Oigny et de Sellières (État de la France / Gallia christiana).
Nommé évêque de Rennes le 17 octobre 1678, il est sacré le 9 juin 1679 (Horowski). Il succède à Charles-François de La Vieuville. Il se démet de ses fonctions le 6 février 1679 (catholic-hierarchy). La mort de François Malier de Houssay le 11 octobre 1678, évêque de Troyes, lui permet de reprendre l'évêché. Il se fait sacrer à l'Oratoire de Paris le 9 avril 1679 (A. Jean). Il démissionne en 1697, Denis-François Bouthillier de Chavigny lui succède (catholic-hierarchy), son neveu et homonyme (Saint Simon, t.I, 382).
Représente en 1682 la province de Champagne à l'assemblée du Clergé qui se tient à Paris, puis publie des statuts synodaux à l'usage de son diocèse (A. Jean).

Membre du Conseil de Régence en 1715, sur proposition de Saint-Simon (Saint-Simon, t.V, 664), en raison de son esprit et de son savoir : « il avait brillé dans toutes les assemblées du clergé où il avait souvent réuni les esprits (...) » (Saint-Simon, t. IV, 303)
« Il passa sa vie dans la meilleure et la plus distinguée de la cour et de la ville, recherché de tout le monde, et surtout dans le gros jeu et à travers toutes les dames : c'étaient leur favori; elles ne l'appelaient que Le Troyen, et Chien d'évêque, et Chien de Troyens quand il leur gagnait leur argent » (Saint-Simon, t.I, 381).

Meurt à Paris le 15 septembre 1731 (A. Jean).

Louis-Henri de Loménie de Brienne épouse l'une de ses sœurs, Henriette Bouthillier (Saint-Simon, t. I, 471), le duc de Choiseul en épouse une autre, Marie Bouthillier, veuve de Nicolas Brûlart, Premier Président du parlement de Dijon (Saint-Simon, t.I , 612), tandis que le maréchal de Clérambault épouse la troisième, Louise-Françoise Bouthillier,(Saint-Simon, t.II, 186) qui était « dans l'intimité de Madame, laquelle avait beaucoup d'amitié aussi et de confiance » en François Bouthillier (Saint-Simon, t. V, 665).

. Archives nationales, Cour des aides de Paris, Z(1)A 474, année 1668 fol. 56, 1669 fol. 105, 1670 fol. 151, 1671 fol. 202, 1672 fol. 254, 1673 fol. 321.
. Archives nationales, Cour des aides de Paris, Z(1)A 475, année 1674 fol. 3, 1675 fol. 70.
. Archives nationales, O(1) 20 fol 208v-209.
. Besongne (Nicolas), Les États de la France, chez Jean Guignard, Paris, 1669.
. N. [Besongne Nicolas], Les États de la France, Jean-Baptiste Loyson, Paris, 1672.
. Besongne (Nicolas), Les États de la France, chez Jacques Le Gras, Paris, 1674.
. Horowski (Leonhard), Die Belagerung des thrones, Machtstruckturen und Karrieremechanismen am Hof von Frankreich 1661-1789, 2012, p. 309, p. 419.
. Saint-Simon (Louis de Rouvroy, duc de), Mémoires (1701-1707), Additions au journal de Dangeau, éditées par Yves Coirault, Gallimard, Paris, 1983.
. Gallia Christiana, province de Lyon, Paris, Coignard, 1728, t. IV, col. 491.
. Jean (père Armand), Les évêques et les archevêques de France depuis 1682 jusqu’à 1801, Picard, Paris, 1891, p. 375.

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Liste des transmissions des évêchés