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Enfant, il se découvre une passion pour la voix et les chanteurs de variété française. Adolescent, il débute au théâtre et fait partie d'une troupe dans son école pendant plusieurs années, avant d'intégrer le Cours Florent. Son premier professeur Yves Sotin l'oriente vers une tessiture plus grave que le ténor. La découverte du baryton gallois Bryn Terfel lui permet de voir dans cette catégorie vocale un monde de possibilités[réf.nécessaire].
En 2009, il entre à l'Atelier Lyrique de l'Opéra national de Paris pour y perfectionner pendant deux ans l'interprétation et l'étude des rôles ainsi que la construction de son répertoire. Ainsi il débute dans de petits rôles sur la scène de l’Opéra national.
Alexandre Duhamel a été nommé dans la catégorie Révélation lyrique des Victoires de la musique 2011, a été élu par l'ADAMI Révélation Lyrique de l’année 2009 et a reçu les Prix Lyriques du Cercle Carpeaux et de l'AROP en 2011, qui récompensent chaque année un jeune chanteur s'étant particulièrement distingué au cours d'une saison sur la scène de l'Opéra de Paris.
Ravel, L’Heure espagnole (SWR music, 2016) avec Stéphanie d'Oustrac (Concepcion), Jean-Paul Fouchécourt(Torquemada), Alexandre Duhamel (Ramiro), Paul Gay (Don Inigo Gomez), Yann Beuron (Gonzalve). Orchestre de la SWR, dir. Stéphane Denève (enr. 2014).
Ravel, L’Heure espagnole (BR-Klassik 3F. Distr. Distr. Harmonia Mundi, 2017) avec Gaëlle Arquez (Concepcion), Julien Behr (Gonzalve), Mathias Vidal (Torquemada), Alexandre Duhamel (Ramiro), Lionel Lhôte (Don Inigo Gomez). Orchestre de la Radio de Munich, dir. Asher Fisch (enr. 2016, live).
Gounod, Cantates et musique sacrée (2 CD Palazzetto Bru Zane ES 1030, 2018)
Hector Berlioz, Michael Spyres, Faust, Joyce DiDonato, Marguerite, Nicolas Courjal, Méphistophélès, Alexandre Duhamel, Brander, Les Petits Chanteurs de Strasbourg, Maitrise de l'Opéra national du Rhin, Orchestre philharmonique de Strasbourg, Dir. John Nelson. 2 CD + 1 DVD Warner classics 2019. Diapason d'or.