Joshua David Duhamel lahir di Minot, North Dakota. Ibunya, Bonny L., adalah seorang mantan guru SMA sekaligus direktur eksekutif Minot's Downtown Business & Profession Association, sedangkan ayahnya, Larry Duhamel, adalah seorang penjual iklan. Ia memiliki tiga adik perempuan bernama Ashlee, McKenzee, dan Kassidy.

Asal usul nenek moyangnya adalah Jerman, dengan sedikit keturunan Norwegia, Prancis-Kanada, Inggris, Irlandia, dan Austria, dimana nama keluarganya umum di kalangan Francophone. Sebelum meniti karir sebagai aktor, Josh belajar biologi dan meraih gelar sarjana di Minot State University, dengan niat menjadi dokter gigi.

Pada usia 26 tahun, ia sempat bekerja di bidang konstruksi. Secara tak sengaja, ia terjun ke dunia hiburan setelah mengikuti audisi untuk peran utama dalam film The Picture of Dorian Gray (2004), yang diadaptasi dari novel Oscar Wilde. Awalnya berkarier sebagai model, ia kemudian beralih ke akting.

Josh tampil di serial CBS Battle Creek, dan sedang dalam proses produksi empat film: Lost In The Sun, Bravetown, The Wrong Stuff, dan Beyond Deceit. Ia juga membintangi drama You're Not You, beradu akting dengan Hillary Swank dan Emmy Rossum, serta film Safe Haven bersama Julianne Hough, yang didasarkan novel Nicholas Sparks.

Selain itu, Duhamel tampil di film komedi ensemble Movie 43, dan berbagai film lainnya seperti New Year's Eve dan Transformers: Dark of the Moon, di mana ia memerankan Kapten William Lennox. Di televisi, ia dikenal lewat peran Danny McCoy di Las Vegas. Ia juga mengisi suara di serial animasi Fanboy & Chum Chum, serta membintangi All My Children yang memenangi Emmy.

Josh pernah menikah dengan Fergie dari The Black Eyed Peas, dan mereka memiliki satu anak bernama Axl Jack Duhamel. Ia tetap aktif di dunia hiburan dan memiliki karier yang beragam di bidang film dan televisi.