En 1646-1648, Le Pautre édifie le couvent de Port-Royal à Paris. En 1653, il publie un Recueil de dessins de plusieurs palais, dédié à Mazarin, dont il est le protégé. Il devient architecte du roi en 1655.
Il devient célèbre avec l’hôtel de Beauvais, rue François-Miron, à Paris, édifié entre 1655 et 1660.
En 1660, il est nommé contrôleur général des bâtiments de Monsieur, frère du roi Louis XIV et construit en 1667 la célèbre Grande cascade du domaine de Saint-Cloud. De 1664 à 1669, il conduit la réalisation du château de Saint-Ouen pour Joachim Adolphe de Seiglière de Boisfranc.
En 1671, il entre à l'Académie royale d'architecture.
À la même époque, Madame de Montespan le sollicite afin de dresser les plans de son château de Clagny, proche de Versailles. Sa mort en 1679 interrompit ce travail, repris par Jules Hardouin-Mansart.

1646-1653. Chapelle du monastère de Port-Royal à Paris.
1655-1660. Hôtel de Beauvais à Paris.
1660-1665. Grande cascade du château de Saint-Cloud.
1670. Château de Saint-Ouen pour Joachim Seiglières.
1672. Château de Clagny.