Repéré dans un club de Box Thaï, Nicolas Duvauchelle obtient le premier rôle dans Le petit voleur d'Eric Zonca (1998). Par la suite, il incarne souvent le beau gosse ténébreux. Il est dans Beau travail et Trouble Everyday de Claire Denis, avant d'incarner un fan de glisse dans Snowboarder, film qu'il a par la suite renié.La rencontre avec Xavier Gianoli pour Les corps impatients est importante, car outre lui offrir un rôle intéressant face à Laura Smet et Marie Denarnaud, elle lui permettra de rencontrer Ludivine Sagnier pour Une aventure qui donnera naissance à une fille, Bonnie. Après avoir incarné le Andrea de Hell, adaptation du Roman de Lolita Pille, il fréquente deux autre adaptations de roman : celle du Grand Meaulnes de Jean-Daniel Verhaeghe, puis Le deuxième souffle d'Alain Corneau et son casting 5 étoiles. Entre-temps il sera aussi passé A l'intérieur aux côtés d'Alysson paradis et Béatrice Dalle.En 2007, on le retrouve dans Le deuxième souffle d'Alain Corneau et en 2008 dans le film évènement de Philippe Haïm Secret Défense. En 2009 on le retrouve à l'affiche du film La fille du RER de André Téchiné, inspiré d'un fait divers.César 2012 : nominé pour le César du Meilleur second rôle masculin pour Polisse.
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