Après avoir intégré l’Ecole normale supérieure en 1927, études pendant lesquelles un voyage d’étudiants en Afrique du Nord éveille son intérêt et réussi l’agrégation de lettres en 1930, Roger le Tourneau demande à être affecté au Maroc et prend son premier poste de professeur au collège franco-marocain Moulay Idriss à Fès en 1930, où il rencontre ses collègues Charles Salefranque et François Bonjean et où il rejoint par deux de ses condisciples de la rue d’Ulm, Fernand Missonier et Lucien Paye. Sa formation humaniste classique le pousse à chercher une passerelle vers le monde arabo-musulman et il apprend l’arabe dialectal et classique. Il amasse la matière pour sa thèse « Fès avant le protectorat » qu’il soutient à Casablanca en 1949, basée sur des enquêtes orales sur les métiers d’artisanat qu’il exécute en même temps qu’il travaille sur un projet de rénovation des métiers d’art lancé par les autorités françaises, autant que sur les manuscrits en langue arabe. Il dirige le collège Moulay Idriss à partir de 1935, puis prend la direction de l’Instruction publique à Tunis en 1941.

Bien que fonctionnaire de Vichy, sa position de chrétien attaché à la liberté de pensée l’oppose à l’idéologie nazie, et il est arrêté puis emprisonné en février 1943, déporté en Allemagne en mars puis remit à l’Etat français qui le destitue et l’assigne à résidence à proximité de Paris. Grâce à l’aide de Jérôme Carcopino, directeur de l’Ecole normale, il est nommé dans un lycée à Rouen en octobre 1943. En mai 1944, il tente de rejoindre l’Afrique du Nord, est à nouveau arrêté et emprisonné en Espagne, avant d’atteindre le Maroc en août. Restant au chômage, il travaille aux notes accumulées sur Fès en vue de présenter sa thèse, préparation qu’il poursuit ensuite quand son maître Robert Montagne le nomme adjoint et directeur des études du Centre des Hautes Etudes d’Administration musulmane à Paris. Après sa thèse, il devient chargé de cours puis professeur à la faculté de lettres d’Alger, où il contribue à former les futurs cadres du pays décolonisé. A la demande de son ami Lucien Paye, il participe à des missions pour ceux qui espèrent une décolonisation de l’Algérie en collaboration avec la France. A l’échec des négociations, il choisit de quitter l’Algérie et en 1957, s’installe à Aix-en-Provence où il enseigne l’histoire de l’Islam occidental, dirige le « Centre de recherches sur l’Afrique méditerranéenne » et œuvre pour le redéploiement en Provence des études orientalistes. Il crée la « revue d’histoire de l’Occident musulman et de la Méditerranée » en 1966, et est reconnu à l’international en étant chargé d’un séminaire bisannuel à l’Université de Princeton aux Etats-Unis à partir de 1958.

Il travaille tout d’abord sur Fès et sur l’évolution de ses habitants, en particulier par rapport au nationalisme marocain, en défendant un point de vue conservateur très peu critique par rapport au Protectorat et ses excès, notamment dans son essai « L’évolution politique de l’Afrique du Nord musulmane de 1920 à 1961 » qui met aussi en avant la dimension confessionnelle de ce nationalisme et sa composante d’autoritarisme prémoderne, idées qu’il développe aussi de 1962 à 1969 dans ses chroniques politiques pour « L’Annuaire de l’Afrique du Nord » du Centre de recherches sur l’Afrique méditerranéenne ». Dans la seconde édition de l’« Encyclopédie de l’Islam » il travaille davantage sur l’Islam occidental. Il travaille également à compléter sa thèse sur l’aspect historique publiant trois ouvrages sur Fès à l’époque mérinide (1961), les Almohades (1969) et le Maroc à l’époque moderne (publié de manière posthume en 1992).