Nicolas Duvauchelle est né le 27 mars 1980 à Paris.
Il fait ses débuts d'acteur très jeune puisqu'il apparaît à l'âge de 11 ans dans Toto le héros. Au départ, il se destine à poursuivre des études pour devenir pharmacien, mais il est repéré par un agent dans un club de boxe à Paris qui l'encourage à développer ses talents d'acteur. Il décroche alors son premier grand rôle dans Le petit voleur d'Eric Zonca avant d'enchaîner deux films avec la réalisatrice Claire Denis : Beau Travail et Trouble Every Day aux côtés de Béatrice Dalle. On le voit ensuite dans le film Snowboarder dans lequel il incarne un surfer qui aspire à devenir professionnel. Son physique lui permet également de devenir l'une des égéries des parfums Hugo Boss et de faire une publicité pour les jeans Levi's.
En 2003, il joue dans Les corps Impatients face à Laura Smet, puis dans Poids Léger de Jean-Pierre Améris. Puis, sur le tournage d'Une Aventure, il fait la connaissance de Ludivine Sagnier avec laquelle il a une liaison. En 2005, ils ont une petite fille prénommée Bonnie. Ils se séparent quelques mois plus tard.
L'année suivante on le retrouve dans Avril de Gérard Eustache-Mathieu, Hell de Bruno Chiche et dans Le Grand Meaulnes de Jean-Pierre Verhaeghe.
En 2007 il est à l'affiche de A l'intérieur aux côtés de Béatrice Dalle et Alysson Paradis.
Voir un extrait de Hell de Nicolas Chiche:
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