Nicolas Duvauchelle fait ses premiers pas au cinéma en 1999 dans Le Petit voleur d'Erick Zonca. Il tourne ensuite à deux reprises sous la direction de Claire Denis dans Beau travail (1999) et Trouble every day (2001).

Remarqué pour son visage de beau ténébreux, sa voix rauque et son côté rebelle, le jeune comédien incarne un Snowboarder en quête de succès dans le film d'action d'Olias Barco et donne la réplique à Laura Smet dans le drame Les Corps impatients (2003) de Xavier Giannoli. Sachant allier rôle physique et talent dramatique, Nicolas Duvauchelle se voit proposer par Jean-Pierre Améris le personnage d'Antoine, un boxeur devant faire face à ses pulsions destructrices, dans Poids léger.

2005 est une année clef dans la vie de l'acteur tant au niveau professionnel que personnel. Il retrouve Xavier Giannoli pour Une aventure, aux côtés de Ludivine Sagnier qui deviendra sa compagne dans la vie. Par la suite, il tourne sous la direction de Bruno Chiche dans Hell, adaptation à l'écran du roman de Lolita Pille. Cette année 2006 ne laisse aucun répit à Nicolas Duvauchelle qui apparaît dans plusieurs films très différents les uns des autres : Le Grand Meaulnes, adapté du roman d'Alain Fournier, et Avril premier long-métrage de Gérald Hustache-Mathieu.

L'acteur côtoie ensuite de nombreuses stars, telles que Daniel Auteuil et Monica Bellucci dans Le Deuxième souffle et obtient un rôle dans le terrifiant A l'intérieur. Il change ensuite de registre, en interprétant un jeune homme qui croit trouver son salut dans le terrorisme, avec le film d'espionnage Secret Défense, aux côtés de Gérard Lanvin et Vahina Giocante. Il retrouvera l'actrice deux ans plus tard dans La Blonde aux seins nus de Manuel Pradal. Entre temps, il tourne auprès de grands réalisateurs français comme André Téchiné (La Fille du RER), Alain Resnais (Les Herbes folles) et Claire Denis (White Material).

Pour la première fois de sa carrière, l'acteur décroche un rôle régulier dans une série, Braquo, diffusée sur Canal + à partir de 2009. Il y campe le personnage de Théo Wachevski, un fêtard impulsif faisant partie de la bande de quatre policiers bien décidée à laver l'honneur de leur collègue s'étant donné la mort. Dans le même registre mais au sein d'une autre brigade, la BPM, il campe Matthieu dans Polisse, un film coup de poing réalisé par Maïwenn, lauréate du Prix du Jury à Cannes en 2011.

Décidément, le cinéma français s'arrache l'acteur à la gueule d'ange. Il joue Jacques, le séduisant pilote de chasse dans La Fille du puisatier, un des trois hommes au coeur tendre aux côtés de François-Xavier Demaison et Pierre Niney dans le road-trip Comme des frères. Puis il perd sa barbe pour jouer un frère au passé trouble dans le film d'époque Pour une femme, retrouve Karin Viard, un an après Polisse, pour former un couple inhabituel dans Parlez-moi de vous et décolle pour l'Argentine dans l'extravagant Mariage à Mendoza.

A la rentrée 2014, il accompagne Leïla Bekhti, mère célibataire qui s'invente braqueuse de banques, dans Maintenant ou jamais, deuxième long-métrage de Serge Frydman. Adepte de personnages torturés, Nicolas Duvauchelle incarne un ex-photographe de guerre dans Le Combat ordinaire, un homme agressé dans Je ne suis pas un salaud, un voyou de cité violent dans Tout nous sépare et un héros de la guerre 14-18 retenu prisonnier dans Le Collier rouge. L'acteur goûte parallèlement aux joies du cinéma grand public via la comédie romantique Jour J de Reem Kherici.

Tournant beaucoup, Nicolas Duvauchelle campe un mystérieux campagnard dans Les Envoûtés, un policier corrompu dans Balle perdue, le fils de Fanny Ardant dans Les Rois de la piste, un crooner dans Une sirène à Paris et un redoutable gangster dans Brûle le sang. Côté petite lucarne, le comédien impressionne dans les séries ou mini-séries Disparu à jamais, Les Papillons noirs, Cœurs noirs, Pax Massilia et Fortune de France.