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 equipa 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.

Em 2004 atingiu a notoriedade ao participar no filme O Ídolo dos Meus Sonhos, em que contracenava com Kate Bosworth e Thoper Grace.

Duhamel teve também uma participação no filme de terror Turistas (Dezembro de 2006), realizado por John Stockwell.