Né à Paris le 5 juillet 1983, Alexandre Duhamel découvre dès son plus jeune âge la musique classique et le théâtre. Après son bac, il fait des études de journalisme (comme son père Patrice Duhamel), et prend des cours de chant comme ténor. Son professeur l'incite à devenir baryton : il est reçu à l'unanimité en 2005 au CNSM de Paris. En 2009, il entre à l'Atelier Lyrique de l'Opéra National de Paris et est nommé en 2009 révélation lyrique de l'Adami. Il alterne alors des petits rôles sur des grandes scènes et de grands rôles dans les productions de l'Atelier. En 2010, il figure dans la distribution prestigieuse de Werther à l'Opéra de Paris (Klopstock), aux côtés de Jonas Kaufmann, Ludovic Tézier et Sophie Koch. Il chante ainsi Wagner  dans Faust (Gounod) en 2011 et Morales dans Carmen (Bizet) l'année suivante à Paris, Mercutio dans Roméo et Juliette (Gounod) en 2013 en Avignon ou Zurga dans les Pêcheurs de perles (Bizet) Salle Pleyel aux côtés de Roberto Alagna et Nino Machaidze .

En 2014, il fait ses débuts à La Scala de Milan dans Les Troyens de Berlioz (Panthée), puis à Tours dans Cosi fan tutte (Guglielmo). L'Opéra de Paris lui offre ensuite les rôles de Masetto dans Don Giovanni en 2015, de Mordred dans le Roi Arthus de Chausson, puis de Quinault dans Adriana Lecouvreur de Francesco Cilea. Il est Harasta l'année suivante dans La Petite Renarde Rusée de Léos Janacek au Festival de Glyndebourne. L'Opéra de Marseille le reçoit en Docteur Falke dans La chauve-souris de Strauss début 2017. Il travaille ensuite le répertoire français en prenant le rôle d'Albert dans Werther de Massenet à Metz, Massy et Reims. Il se rend également à l'Opéra de Lyon dans le rôle du Grand-Prêtre dans Alceste de Gluck. Il revient ensuite à Bastille dans La Veuve joyeuse de Lehár (Vicomte Cascada). 

Bordeaux lui offre en 2018 sa prise du rôle de Golaud dans Pelléas et Mélisande de Debussy. Il incarne ensuite Jupiter dans Philémon et Baucis de Gounod à l'Opéra de Tours. Le baryton prend le rôle d'Escamillo dans Carmen à Montpellier en mars puis celui du Grand Prêtre de Dagon dans Samson et Dalila de Saint-Saëns à l'Opéra de Metz. Toujours en 2018, il débute à Salzbourg dans le rôle de Don Andrès dans La Périchole, et prend le rôle de Paolo Albiani dans Simon Boccanegra à Marseille. En 2019, il prend le rôle de Lescaut dans Manon de Massenet à Bordeaux et celui de Thoas dans Iphigénie en Tauride pour ses débuts au Théâtre des Champs-Elysées. Il participe à l'entrée des Indes galantes au répertoire de l'Opéra Bastille dans les rôles de Huascar et Don Alvar. En 2020, il est le Comte de Nevers dans Les Huguenots de Meyerbeer pour ses débuts à l'Opéra de Genève. La crise du Covid-19 l’empêche de prendre son premier rôle-titre : Don Giovanni à Bordeaux.

En 2020/2021, Alexandre Duhamel retrouve Cosi fan tutte à Toulouse en septembre. Le rôle de Golaud dans Pelléas et Mélisande le mène de Bordeaux en novembre à Lille et Caen en mars et avril 2021. Entre temps, il effectue sa prise du rôle de Marcello dans La Bohème de Puccini à Marseille. Sa fin de saison est internationale, avec Escamillo dans Carmen à Tokyo en juillet. 

Sa saison 2021/2022 est encore bien remplie, avec Guillaume Tell à Marseille, La Vie Parisienne au Théâtre des Champs-Elysées, Carmen au Capitole, La Trilogie Mozart / da Ponte au Liceu de Barcelone et à Bordeaux, avant Les Huguenots à La Monnaie de Bruxelles. Il est déjà attendu dans le rôle-titre de Don Giovanni à Saint-Jean-d'Acre en juillet 2022.