Souhaitant élargir ses connaissances, il s'inscrit au cours public d'architecture de Jacques-François Blondel. En complément à l'enseignement académique de son maître, Ledoux découvre les idées nouvelles portées par les écrivains et artistes de son temps -le temps des Lumières- et s'intéresse bien sûr aux architectes qui tentent d'exprimer ces idées qui font de la nature et de l'Antique la source d'inspiration d'un nouvel art de bâtir. En 1758 Ledoux entre dans l'agence d'un jeune architecte parisien, Louis-François Trouard, qui lui confie la décoration du Café militaire, rue Saint-Honoré à Paris. Cette première oeuvre remporte un grand succès public, fait connaître le jeune architecte et le met en relations avec la haute noblesse militaire. En 1764 il est nommé architecte de l'administration des Eaux et Forêts. Il continue cependant à travailler aussi à son propre compte pour une clientèle mondaine privée qui lui commande une quinzaine de chantiers, dont le fameux château de Maupertuis.

Parmi ses clients, des représentants du monde la finance et des membres de la noblesse d'épée pour lesquels il bâtit des hôtels particuliers : l'hôtel d'Hallwyll, l'hôtel d'Uzès, l'hôtel de Montmorency et ... le château de Bénouville.

Remarqué et protégé par Mme du Barry dont il construit le château à Louveciennes, il est reçu à l'Académie d'architecture en 1773. Ledoux, désormais architecte du Roi, poursuit une brillante et féconde carrière privée et publique et obtient de l'administration royale de vastes chantiers comme ceux de la Saline d'Arc-et-Senans, en Franche-Comté, sans doute la plus connue de ses oeuvres, ou la barrière des fermiers généraux ceinturant Paris. Sous la Révolution ses relations le rendent suspect : il est incarcéré sous la Terreur puis connaît l'oubli. Il se consacre alors à sa précieuse oeuvre littéraire et gravée qui sera publiée -bien qu'inachevée - en 1804 " L'architecture considérée sous le rapport de l'art, des moeurs et de la législation " dans laquelle il expose sa réflexion originale sur l'art de bâtir et ses théories, parfois utopistes, selon lesquelles l'architecture et l'urbanisme bien pensés, alliant l'art, l'émotion, la morale, le bien-être et la fonctionnalité, seraient de nature à favoriser l'émergence d'une société nouvelle et harmonieuse. Il s'éteint à Paris en 1806. Peu des bâtiments qu'il a construits subsistent. Parmi eux deux de ses chefs-d'oeuvre ont été remarquablement restaurés et mis en valeur par des collectivités territoriales : la Saline d'Arc-et-Senans, propriété du Département du Doubs, et le château de Bénouville, propriété du Département du Calvados.