Военачальник.
Из дворян. Окончил кадетский корпус, Московское военное училище, Академию Генерального штаба. С начала Первой мировой войны – на Юго-Западном фронте. Генерал-квартирмейстер штаба фронта. Один из ближайших помощников главнокомандующего армиями фронта генерала А.А. Брусилова в период подготовки Брусиловского прорыва.
Летом 1917 г. – начальник штаба Юго-Западного фронта, позднее – Западного фронта. Старался пресекать излишне вольные действия солдатских комитетов. С 10 сентября – начальник штаба Верховного главнокомандующего А.Ф. Керенского. Противник большевиков. В первой половине октября по указанию Керенского приказывал перевести военные части с фронта под Петроград.
После начала Октябрьского переворота в Петрограде образовал в Ставке специальную группу во главе с генерал-квартирмейстером М.К. Дитерихсом для координации действий на внутренних фронтах. Обращался к армии с призывом оказания содействия правительству. В телеграмме в Петроград требовал немедленного прекращения большевиками действий, отказа от вооруженного захвата власти и подчинения Временному правительству, предупреждая, что действующая армия силой поддержит это требование. 29 октября телеграфировал в Новочеркасск Генералу А.М. Каледину, прося направить отряд казаков с Дона для подавления большевистского восстания.
После провала похода А.Ф. Керенского – П.Н. Краснова на Петроград Керенский подписал распоряжение о передаче Духонину должности Главковерха. Ставка стала центром притяжения всех сил, выступавших против большевиков.
Получив в ноябре телеграмму Совета народных комиссаров с поручением немедленно начать переговоры о перемирии с командованием противника, Духонин пытался оттянуть ответ. В ночь на 9 ноября из СНК потребовали объяснений. Духонин спросил, получено ли согласие союзников, отказался выполнять указание, заявил, что мирные переговоры может начать только центральное правительство. Уволен от занимаемой должности «за неповиновение предписаниям правительства». Верховным главнокомандующим назначен Н.В. Крыленко. Духонин не подчинился постановлению СНК, о чём сообщил всем главнокомандующим фронтов, однако армии одна за другой признавали власть СНК.
19 ноября командиры ударных батальонов в Могилеве просили разрешения защищать Ставку, но Духонин приказал им покинуть город, заявив, что не хочет братоубийственной войны. Утром 19 ноября Духонин распорядился освободить из заключения в Быхове Л.Г. Корнилова и его соратников, которые в ночь на 20 ноября покинули город. 20 ноября в Могилев прибыл Крыленко. Духонин был арестован и перевезён на железнодорожный вокзал для отправления в Петроград. Убит солдатами и матросами, узнавшими об освобождении Корнилова.