Louis-Albert Bourgault-Ducoudray naît à Nantes le 2 février 1840, dans une famille d'ascendance bretonne. Après des études de droit et une première formation musicale au Conservatoire de Nantes, il entre au Conservatoire de Paris où il travaille la composition dans la classe d'Ambroise Thomas. En 1862, il remporte le premier prix de Rome avec la cantate Louise de Mézières, distinction qui lui ouvre le séjour à la Villa Médicis et lui fait découvrir la polyphonie de Palestrina, dont l'influence marquera durablement son écriture chorale.
De retour en France, il se consacre d'abord à la direction de chœur et à la diffusion de la grande musique sacrée. Mais c'est son intérêt pour les traditions musicales populaires qui fait l'originalité de sa carrière. En 1874-1875, chargé d'une mission officielle, il voyage en Grèce et en Orient pour étudier la musique ecclésiastique grecque et les chants populaires. De cette enquête naissent plusieurs publications fondatrices : les Souvenirs d'une mission musicale en Grèce et en Orient (1876), les Trente mélodies populaires de Grèce et d'Orient (1876) et les Études sur la musique ecclésiastique grecque (1877). Sensible à la richesse des modes anciens, il y défend l'idée que les échelles modales, héritées de l'Antiquité et conservées dans les musiques traditionnelles, peuvent renouveler le langage harmonique occidental.
En 1878, Bourgault-Ducoudray est nommé professeur d'histoire de la musique au Conservatoire de Paris, chaire qu'il occupe pendant plus de trente ans. Pédagogue influent, il fait découvrir à ses auditeurs des répertoires alors peu connus en France, notamment la musique russe et des musiques dites « exotiques ». Parmi les musiciens qui passent par cet enseignement figurent des compositeurs de la génération suivante tels que Claude Debussy et Charles Koechlin.
Son catalogue de compositeur reflète ce double ancrage, savant et populaire. Dans le domaine orchestral, il signe une Symphonie dès 1861, puis des pages aux couleurs orientales comme le Carnaval d'Athènes (1881) et surtout la Rhapsodie cambodgienne (1882), inspirée par la musique du ballet royal khmer entendu lors d'une représentation en France ; cette partition, organisée en plusieurs tableaux (Introduction et Légende, Fête des Eaux), demeure son œuvre orchestrale la plus jouée. On lui doit aussi une page d'inspiration shakespearienne, L'Enterrement d'Ophélie (1877).
Pour la scène, il aborde des sujets variés, du registre comique au grand opéra : Thamara (1891), drame lyrique situé aux confins de la mer Caspienne et créé à l'Opéra de Paris, et Myrdhin (créé posthumément, vers 1912), légende dramatique puisant dans la matière de Bretagne et la forêt de Brocéliande. Son attachement à sa province natale l'amène par ailleurs à collecter et harmoniser les airs bretons, rassemblés dans les Trente mélodies populaires de Basse-Bretagne (1885) et les Quatorze mélodies celtiques (1909).
Sa musique religieuse comprend un Stabat Mater et une Symphonie religieuse avec chœur, prolongeant l'admiration nourrie à Rome pour la polyphonie sacrée. À côté de ces grandes formes, il laisse de nombreuses mélodies et pièces pour piano ou musique de chambre, souvent teintées de couleur modale et d'esquisses descriptives, comme Contemplation sidérale et Dans la lande.
Théoricien autant que créateur, Bourgault-Ducoudray a joué un rôle de passeur dans la musique française de la fin du XIXe siècle : sa réflexion sur les modes et son ouverture aux musiques extra-européennes annoncent certaines recherches de l'école française moderne. Il meurt à Vernouillet le 4 juillet 1910 et est inhumé à Nantes, où plusieurs lieux portent aujourd'hui son nom.