Duhamel gặp gỡ và bắt đầu hẹn hò với ca sĩ Stacy Ann Ferguson, thường được biết đến với nghệ danh Fergie vào tháng 9 năm 2004, sau khi Ferguson xuất hiện trong show Las Vegas của Duhamel cùng với ban nhạc The Black Eyed Peas của mình.[9] Cặp đôi làm đám cưới vào ngày 10 tháng 1 năm 2009 theo lễ Công giáo Rôma tại Nhà thờ Estate Vineyards tại Malibu, California.[10][11] Họ có một người con trai, sinh tháng 8 năm 2013.[12]

Cả Duhamel và Fergie đều theo đạo Công giáo và đi lễ nhà thờ.[13] Năm 2005, anh trở thành đồng sở hữu của 10 North Main, một nhà hàng tại Minot, North Dakota.[14][15] Vào năm 2012, Duhamel được mời tham gia Scandinavian-American Hall of Fame, một sự kiện ký tên của Norsk Høstfest.[16]