Tak1wa さんも質問されてますが、そもそもどのように元になる Windows Forms アプリを作って、それにどのように DataGridViewCellStyle を追加しているのでしょうか？
> DataGridViewのDataSourceにはデザイナーから作成した型付きDataSetを利用しています。
と書かれていますが、それだけでは情報として不十分です。
以下のチュートリアルの図 15 のように、Visual Studio のウィザードを使って、[データ ソース] ウィンドウから当該データソースをフォーム上にドラッグ & ドロップして DataGridView のコードを、その中の列の設定を含めて、自動生成したのですか？
10 行でズバリ !! 非接続型のデータ アクセス (ADO.NET) (C#)
https://code.msdn.microsoft.com/windowsdesktop/10-ADONET-C-cbfe7688
そうであれば、Tak1wa さんがアップされた画像のように設定すれば、Form1.Designer.cs のコードが自動的に変更されます。
例えば、上に紹介したチュートリアルで、DataGridView の OrderDate に CellStyle ビルダーを使って Format を設定すれば、Form1.Designer.cs の当該列のコードは自動的に以下のように変更されます。誰がやっても間違いようがないですよね。
オリジナル
this.dataGridViewTextBoxColumn4.DataPropertyName = "OrderDate";
this.dataGridViewTextBoxColumn4.HeaderText = "OrderDate";
this.dataGridViewTextBoxColumn4.Name = "dataGridViewTextBoxColumn4";
CellStyle ビルダーで設定後
System.Windows.Forms.DataGridViewCellStyle dataGridViewCellStyle1 =
new System.Windows.Forms.DataGridViewCellStyle();
this.dataGridViewTextBoxColumn4.DataPropertyName = "OrderDate";
dataGridViewCellStyle1.Format = "MM/dd HH:mm";
this.dataGridViewTextBoxColumn4.DefaultCellStyle = dataGridViewCellStyle1;
this.dataGridViewTextBoxColumn4.HeaderText = "OrderDate";
this.dataGridViewTextBoxColumn4.Name = "dataGridViewTextBoxColumn4";
上に紹介したチュートリアルのような作り方ではなくて、型付 DataSet + TableAdapter を作るところまでは Visual Studio のウィザードを使ったが、その後は自力でコードを書いたということですか？
そうだとすると、自力で書いた部分とそれにどのように DataGridViewCellStyle を追加したかが不明確なままでは話が進められません。そのあたりの詳細を書いてください。
想像で回答して、想像が実際と違っていると、回答が的外れになって混乱を招くばかりですので。
【追伸】
書き忘れましたが、上記のコードは Visual Studio 2010 SP1 Professional, .NET 4 で、紹介したチュートリアルの通りに作って、デザイナ画面で CellStyle ビルダーを利用してDataGridViewCellStyle を追加設定したとき自動的に生成されたものです。
なので、Visaul Studio のバージョンは関係なくて、質問者さんのやり方の問題（はっきり言うとどこかに設定のミスがある）ではないでしょうか？
