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Os seus pais divorciaram-se quando ainda era criança, tendo este sido criado pela sua mãe e com as três irmãs: Ashley, Cassidy e Mckenzie. Duhamel frequentou o curso de Biologia na Universidade Estatal de Minot e fez parte da equipe de futebol da mesma.

Josh mudou-se para a Califórnia, onde começou a trabalhar como modelo para revistas de moda, ganhando o prémio de Modelo do Ano, em 1997. Em 1999 iniciou a sua carreira de actor, entrando em O Retrato de Dorian Gray como protagonista. A sua estreia em televisão deu-se na telenovela All My Children (da ABC) e, em 2003, entrou na série de sucesso Las Vegas, que era transmitida em horário nobre[1].

Em 2004 atingiu a notoriedade ao participar no filme Um encontro com seu ídolo e O retrato de Dorian Gray, em que contracenava com Kate Bosworth e Topher Grace.

Duhamel teve também uma participação no filme de terror Turistas (que estreou em Dezembro de 2006), realizado por John Stockwell. Josh aparece no clipe "Genie in a Bottle" de 1999, da cantora Christina Aguilera.

Em 2007 atuou no filme Transformers de Michael Bay com Shia LaBeouf e Megan Fox, o filme teve mais duas continuações Transformers: Revenge of the Fallen e Transformers: Dark of the Moon (este sem Megan Fox no elenco) Transformers de Michael Bay tornou-se uma das franquias de maior sucesso e bilheteria mundial, com mais de US$ 2,6 bilhões.

Em 2013, foi escalado para apresentar a maior premiação infantil do mundo, o Kids Choice Awards, do canal infanto-juvenil Nick.