Le métier d'acteur n'a pas été tout de suite une évidence pour Josh Duhamel. En effet, il a entrepris des études de biologie avant de partir à Los Angeles afin de débuter en tant que mannequin. Il connaît un tournant professionnel en jouant dans de nombreuses publicités.

Sa carrière de comédien débutera sur les planches, au théâtre, en décrochant un rôle dans une pièce d'Oscar Wilde intitulée The Picture of Dorian Gray. Puis les séries télévisées lui sourient. Il apparaît ainsi dans All My Children, puis obtient un des premiers rôles dans Las Vegas où il a incarné Danny McCoy pendant 5 ans. Il s'est marié avec Fergie des Black Eyed Peas, le 10 janvier 2009.

Sur grand écran, son premier film est Rendez-vous avec une star (de Robert Luketic), dans lequel il joue Tad Hamilton, avec Kate Bosworth et Topher Grace. Il a aussi joué dans Turistas (thriller,drame,horreur) en 2006 de John Stockwell et dans Transformers en 2007 de Michael Bay. Il joue aussi dans Transformers 2, en 2009 où il reprend son rôle de militaire. Il joue notamment dans la comedie romantique When in Rome, dans lequelle il tient un role principale avec sa partenaire Kristen Bell.