พลตำรวจเอกวิฑูรย์เริ่มรับราชการใน กองทัพบก จนได้เป็นผู้บังคับการกองผสมที่ 333 ที่ทำการรบแบบไม่เปิดเผยจนพลตำรวจเอกวิฑูรย์ได้รับฉายาว่า หัวหน้าเทพ หรือ เทพ 333 เนื่องจากท่านมีชื่อเล่นว่า เทพ หลังจากนั้นท่านได้เลื่อนตำแหน่งจนสูงขึ้นตามลำดับ

ต่อมาหลังจากเหตุการณ์ วันมหาวิปโยค พลตำรวจเอก วิฑูรย์ขณะมียศเป็น พลตรี ได้ถูกโอนย้ายมารับราชการใน กรมตำรวจ ดำรงตำแหน่งผู้ช่วยอธิบดีกรมตำรวจในสมัยที่ พลตำรวจเอก ประจวบ สุนทรางกูร เป็น อธิบดีกรมตำรวจ และได้รับพระราชทานยศ พลตำรวจโท เมื่อวันที่ 18 ตุลาคม พ.ศ. 2516 [1] ตลอดสมัยที่ท่านเป็นผู้ช่วยอธิบดีกรมตำรวจท่านได้พัฒนากรมตำรวจจนเจริญรุดหน้าแต่ท่านและพลตำรวจเอกประจวบก็ได้ถูกโอนย้ายกลับไปรับราชการที่กองทัพบกเมื่อวันที่ 10 กุมภาพันธ์ พ.ศ. 2518 [2] โดยดำรงตำแหน่งที่ปรึกษากองทัพบกพร้อมกับได้รับพระราชทานยศ พลโท เมื่อวันที่ 13 กุมภาพันธ์ พ.ศ. 2518 [3] ต่อมาในวันที่ 1 ตุลาคม ปีเดียวกันพลโท วิฑูรย์ได้รับโปรดเกล้า ฯ ให้ดำรงตำแหน่งผู้ช่วยเสนาธิการทหารบกฝ่ายกำลังพลแทนพลโท เฉลิม สุทธิรักษ์ที่ย้ายไปรับตำแหน่งผู้ช่วยเสนาธิการทหารบกฝ่ายส่งกำลังบำรุง [4]

ในวันที่ 1 ตุลาคม พ.ศ. 2519 พลตรี วิฑูรย์ได้รับโปรดเกล้า ฯ แต่งตั้งให้ดำรงตำแหน่งรองเสนาธิการทหารบก และรับพระราชทานยศ พลโท ในเวลาต่อมา แทน พลโท สิทธิ จิรโรจน์ ที่ขยับขึ้นไปดำรงตำแหน่งผู้ช่วยผู้บัญชาการทหารบกรับพระราชทานยศ พลเอก[5] แต่ดำรงตำแหน่งได้เพียง 10 วันก็ถูกโยกให้มาประจำ กองบัญชาการทหารสูงสุด ตามคำสั่งหัวหน้าคณะปฏิรูปการปกครองแผ่นดิน ที่ 10/2519 ลงวันที่ 11 ตุลาคม พ.ศ. 2519[6] จากนั้นคำสั่งหัวหน้าคณะปฏิรูปการปกครองแผ่นดินฉบับต่อมาคือฉบับที่ 11/2519 ลงวันเดียวกันได้สั่งให้พลโท วิฑูรย์ย้ายไปรับตำแหน่งที่ปรึกษาการศึกษา ( ชั้น 2 ) ประจำ สถานเอกอัครราชทูตไทย ณ กรุงโตเกียวแทนนายสนิธ พุกประยูรโดยให้ไปรับตำแหน่งใหม่ภายใน 48 ชั่วโมงและให้รับเงินเดือนจากตำแหน่งประจำกองบัญชาการทหารสูงสุดคงเดิม [7] ซึ่งท่านได้ดำรงตำแหน่งนี้จนเกษียณอายุราชการเมื่อปี พ.ศ. 2528