Tout jeune, Joshua David Duhamel projette d’abord de devenir dentiste. Il suit donc des études de biologie à l’Université de Minot, mais échoue à ses examens et s’engage dans la vie professionnelle. Le premier secteur qu’il va explorer sera le bâtiment et la construction. Son installation à San Francisco change la donne puisqu’il est vite repéré par une agence de mannequinat. Il multiplie les spots publicitaires et se meut devant un objectif et une caméra. Ces expériences lui confèrent rapidement une certaine popularité. En 1999, le jeune homme débute à la télévision dans la série La Force du destin, à laquelle il renonce en 2002. Il ne se fait remarquer qu’en 2004 lorsqu’il obtient le premier rôle, celui de Dorian Gray, dans une adaptation du roman de Oscar Wilde par David Rosenbaum. L’année s’avère fructueuse car l’acteur décroche également son premier rôle au cinéma dans une comédie légère aux accents romantiques, Rendez-vous avec une star de Robert Luketic. Un film au succès mitigé, dans lequel il tourne aux côtés de Kate Bosworth et de Topher Grace.

Mais qu’à cela ne tienne, le succès le frappe l’année suivante avec un rôle taillé pour lui. Josh Duhamel revêt les habits d’un chef de la sécurité du casino Montecito dans la série Las Vegas. Sa carrure et sa beauté sont révélées au grand jour puisque Danny Mc Coy se révèle tout à la fois coureur de jupons, flambeur, et joueur invétéré au grand dam de Vanessa Marcil avec laquelle il partage l’affiche. L’aventure va durer cinq saisons et se terminer en 2008.

C’est une grosse production américaine qui va permettre à l'acteur de se faire connaître du grand public et cela à deux reprises. En effet, en 2007 il rencontre Michael Bay qui lui offre le rôle du Capitaine Lennox dans Transformers. Le film relate les tourments entraînés par des robots d’origine extra-terrestre qui se mettent à attaquer les systèmes de défense de l’armée américaine. Les américains doivent donc collaborer avec les Autobots dirigés par Optimus Prime afin d’empêcher les redoutables Decepticons dirigés par Mégatron de s'emparer du cube qui leur permettrait de dominer la planète. Le film est un succès, le deuxième opus, Transformers 2: la Revanche (2009), l’est encore davantage.

Mais en 2010, loin de son costume de militaire, l’acteur change de registre et s’invite à pouponner en compagnie de Katherine Heigl dans Bébé mode d'emploi.