Le 2 décembre 1874, il soutient ses deux thèses de doctorat ès lettres à la Faculté de Paris[2]. La première, en français, consiste en un essai philosophique sur la contingence des lois de la nature[3]. La deuxième, en latin, s'intéresse aux "vérités éternelles" du philosophe Descartes[4]. Devenu docteur, il enseigne la philosophie à l'université de Montpellier, puis à l'université de Nancy, ensuite à l'École normale supérieure en 1878, et enfin à la Sorbonne à partir de 1885.
Il épouse le 9 octobre 1878 Aline Poincaré[6], rencontrée à Nancy, sœur du mathématicien Henri Poincaré, et a un fils, le mathématicien, historien et philosophe des mathématiques Pierre Boutroux et une fille, Louise Boutroux, qui épouse Pierre Villey. Le chimiste Léon Boutroux, élève de Louis Pasteur, était son frère.
De Veritatibus aeternis apud Cartesium thèse latine, 1874[4] (traduction par G. Canguilhem : Des Vérités Éternelles Chez Descartes, Paris: Alcan, 1927 ; Paris : Vrin-Reprise, 1985)
La Grèce vaincue et les premiers stoïciens, 1875
La Philosophie des Grecs, de E. Zeller, traduction, 1877-1884
La Monadologie de Leibnitz, 1881
Socrate, fondateur de la science morale, 1883
Les Nouveaux Essais, de Leibnitz, 1886
Questions de morale et d'éducation, 1895
De l'idée de loi naturelle dans la science et la philosophie contemporaines, 1895
↑ a et bÉmile Boutroux, De la contingence des lois de la nature, Paris, Germer Baillière, , 194 p. (lire en ligne)
↑ a et b(la) Émile Boutroux, De veritatibus æternis apud Cartesium, Paris, Germer Baillière, , 70 p. (lire en ligne)
↑Laurent Rollet, Henri Poincaré, des mathématiques à la philosophie. Étude du parcours intellectuel, social et politique d’un mathématicien au début du siècle. : Thèse de doctorat de philosophie., Université Nancy-II, , 445 p. (HALtel-00137859, lire en ligne), p. 105.
↑Aline Boutroux, Vingt ans de ma vie, simple vérité : la jeunesse de Henri Poincaré racontée par sa soeur, 1854-1878, Paris, Hermann, , 360 p. (ISBN978-2-7056-8278-1)