Josh is de zoon van Larry David Duhamel en Linda Duhamel. Zijn ouders scheidden tijdens zijn jeugd en hij groeide op met zijn moeder en drie zussen Ashley, Cassidy en Mckenzie. Duhamel ging naar de Minot State-universiteit, waar hij de graad van bachelor of Science in biologie behaalde en in het American footballteam speelde als quarterback.
Nadat Duhamel verhuisd was naar Californië begon hij te werken als model voor modetijdschriften, waarmee hij in 1997 de titel "Model van het Jaar" won. In 1999 kreeg Duhamel zijn eerste filmrol, hij speelde de hoofdrol in de film The Picture of Dorian Gray.
Zijn eerste doorbraak kwam toen ABC hem belde om een screentest te doen voor de soapserie All My Children. De makers wilden Duhamel zo graag een rol geven dat zijn eerste optreden in de serie werd uitgesteld om zijn schema niet in de war te brengen. Hij speelde de rol van 1999 tot 2002.
In 2003 kreeg Duhamel een rol in de succesvolle televisieserie Las Vegas. Zijn bekendheid groeide, wat hem de hoofdrol bezorgde in de film Win a Date with Tad Hamilton! (2004), waarin ook Kate Bosworth en Topher Grace speelden.
