Родился в деревне Матреновка. Херсонской губернии. В 868 г. поступил в Петровско-Разумовскую земледельческую и лесную академию в Москве, но в 1869 г. был исключен за участие в народническом движении и выслан в Матреновку. В 1870-1871 гг. учился в Новороссийском университете в Одессе, служил контролёром касс Одесского госбанка, но позднее оставил службу и учёбу и стал управляющим в имении отца. С 1877 г. в эмиграции в Париже, где начал систематически заниматься живописью Являлся членом парижского Общества вспомоществования русских художников. С 1893 г. постоянно жил в Бельгии. В 1901 г. вернулся в Россию, но в 1906 г. вернулся в Бельгию. С 1905 г. член Товарищества передвижных художественных выставок. В конце 1913 г. приехал в Санкт-Петербург, где его застала первая мировая война. В 1917-1919 гг. жил на Кубани, испытав все тяготы гражданской войны. В 1919 г. смог выехать в Бельгию. Умер в Брюсселе.
Похитонов происходил из семьи потомственных военных. Отец его по национальности был украинец, мать - сербка. В 1871 г. он с матерью и больной сестрой уехал за границу, и как оказалось - надолго. Сначала он оставался там по причине своих слабых легких, потом - в силу семейных обстоятельств (появилась семья, родился сын). Но каждое лето он приезжал в Россию, много работал на натуре в родных местах. Потом купил имение в Минской губернии и думал там остаться навсегда, но революция и гражданская война вынудили его в 1919 г. покинуть родину.
Похитонов начинал самоучкой. В Париже учился у пейзажиста А. П. Боголюбова, изучал живопись барбизонцев, К. Коро, импрессионистов. Конструктивность, свободная живописная манера, изумительная верность и ясность тональных и цветовых отношений делают его самым французским среди русских пейзажистов ("Ранняя весна. По. Прачки на берегу Гавы", 1885; "Ла-Панн. Пляж", "Тру-Луэт. Осенний вечер", "Тру-Луэт. Ранняя весна", все 1895; "Въезд в Ясную Поляну", 1905; "Прачки у пруда. Жабовщизна", 1900-е, и др.).
Французы же восхищались гармонией и ясностью его пейзажей, умением до иллюзии передавать предметную форму, виртуозной техникой ("Прачки", 1890; "Снег в По", 1890-е; "Тру-Луэт. Зима. Вид из квартиры художника", 1895; "Зимой. Жабовщизна", 1900-е, и др.). Его пейзажи можно назвать миниатюрами. Он писал на дощечках небольшого размера (предпочитал лимонное или красное дерево), сам долго и тщательно готовил их под живопись. Писал тонкими кистями, использовал лупу. В конце просохшую красочную поверхность полировал рыбьей костью, добиваясь гладкости и блеска.
Краски его пейзажей сияют и сейчас, подобно эмали. Французские критики сравнивали Похитонова с "малыми голландцами", со знаменитым в то время художником-миниатюристом Э. Мейссонье. Своеобразие Похитонова, его непохожесть на других состояла в том, что он сумел соединить виртуозную технику миниатюрной живописи с живым, непосредственным чувством природы, пленэрными поисками. Если Ш.-Ф. Добиньи и К. Моне плавали по рекам Франции в лодках-мастерских, то Похитонов ездил по дорогам Франции в специально для него сделанной карете-мастерской с верхним светом. Кроме пейзажей Похитонов писал миниатюрные жанровые сценки, натюрморты, портреты (одним из лучших считается "Портрет И. С. Тургенева", 1882).
Талант Похитонова получил-таки официальное признание на родине: в 1904 г. АХ сделала его своим действительным членом и дала звание... художника-баталиста (в 1881 г. он выполнил по заказу русского правительства 9 панно с изображением местностей в Болгарии, где происходили сражения русско-турецкой войны).