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Duhamel nació en Minot, Dakota del Norte. Su madre, Bonnie L. (Bachmeier) Kemper, es una maestra jubilada y empresaria local, y su padre, Larry Duhamel, es un vendedor de publicidad. Su familia es de fe católica.[1]​ Sus padres se divorciaron cuando él era joven, y fue criado por su madre y su padrastro, George Kemper. Tiene una hermana menor y dos medias hermanas maternas menores. Tras graduarse de la escuela secundaria Minot High School en 1991, asistió a la Universidad Estatal de Minot, donde fue mariscal de campo suplente del equipo de fútbol americano universitario. Inicialmente tenía planes de estudiar odontología, pero abandonó la universidad a falta de un crédito y medio para obtener su título. Posteriormente completó los créditos restantes y recibió su título universitario en 2005.[1]​ Duhamel conoció y comenzó a salir con la cantante Stacy Ann Ferguson, más conocida por su nombre artístico Fergie, en septiembre de 2004, después de que Ferguson apareciera en la serie Las Vegas, protagonizada por Duhamel, junto a su entonces banda The Black Eyed Peas.[2]​ La pareja contrajo matrimonio el 10 de enero de 2009 en una ceremonia católica en Church Estate Vineyards, en Malibu, California.[3]​[4]​ Tienen un hijo, nacido en agosto de 2013.[5]​ El 14 de septiembre de 2017, la pareja anunció que se había separado a principios de ese año.[6]​ El 1 de junio de 2019, la pareja presentó la solicitud de divorcio tras dos años de separación.[7]​ A finales de noviembre de 2019, su divorcio fue finalizado.[8]​ A finales de 2018, Duhamel comenzó a salir con la ex Miss World America, Audra Mari.[9]​[10]​ El 8 de enero de 2022, Duhamel anunció su compromiso con Mari.[11]​[12]​ Se casaron el 10 de septiembre de 2022.[13]​ En septiembre de 2023, se anunció que esperaban su primer hijo en común.[14]​ Su hijo nació en enero de 2024.[15]​ En una entrevista de 2023, Duhamel declaró: «Por eso Audra es tan perfecta para mí. Ambos somos norteños de Dakota de pura cepa. A los dos nos encanta la vida en el lago».