Antoine Duhamel est né à Valmondois (Val d'Oise) en 1925. Fils de l'écrivain académicien Georges Duhamel et de la comédienne Blanche Albane, son enfance baigne dans un climat musical et artistique. Il suit au conservatoire de Paris l'enseignement d'Olivier Messiaen et surtout de René Leibowitz, auprès de qui il s'initie à la musique sérielle. Parallèlement il suit à la Sorbonne des études en musicologie et psychologie. Il accompagne Pierre Schaeffer dans les expériences de musique concrète du Club d'Essai de la Radio. Antoine Duhamel s'essaie d'abord à la composition lyrique, puis il s'intéresse à la comédie musicale américaine, à la chanson, et surtout au jazz.

Après avoir écrit la musique de nombreux courts-métrages (Le puits et le pendule d'Alexandre Astruc en 1963), il travaille pour la première fois sur la bande originale d'un long métrage: Le grain de sable (1964) de Pierre Kast. C'est le début d'une longue carrière de compositeur de musiques de films. Antoine Duhamel va travailler entre autres pour Jean-Luc Godard (Pierrot le Fou 1965), Jean-François Adam (M comme Matthieu 1970), François Truffaut (Baisers volés 1968, La sirène du Mississipi 1968, Domicile conjugal 1970), Bertrand Tavernier (Que la fête commence! 1975, La mort en direct 1979), Patrice Leconte (Ridicule 1995), et compose la musique du célèbre feuilleton télévisé de Claude Barma, Belphégor. En tout, plus de 150 partitions pour accompagner l'image.

Artiste éclectique, Antoine Duhamel continue à écrire des opéras: "L'opéra des oiseaux" (1971), "Gambara" (1978), "Quatrevingt-treize" (1989) à l'opéra de Lyon. En 1974, au Festival d'Avignon, il fait représenter "Ubu à l'opéra", et réalise la même année avec son ami Philippe Coudrier un film en hommage au musicien Charles Mingus "Par amour du jazz". Il est également l'auteur de nombreuses partitions "symphoniques", concertos, musique de chambre, pièces vocales, musiques de ballets.

Artiste engagé dans la diffusion et l'apprentissage de la musique, il est entre 1954 et 1958 directeur artistique de la maison de disque Les Discophiles français. Il s'est beaucoup investi dans les démarches d'enseignement, les expériences pédagogiques originales. Avec son épouse Elisabeth, il fonde en 1980 à Villeurbanne une école de musique d'abord dédiée au jazz puis à tous les genres, des musiques traditionnelles du monde à la musique baroque. Entre 1986 et 1993, il siège au conseil d'administration de la SACEM.

L'oeuvre d'Antoine Duhamel lui a valu le prix Georges Enesco de la SACEM (1977), le prix de la S.A.C.D. (1988). C'est en janvier 2000 que Noêl Simsolo a filmé et interrogé Antoine Duhamel dans la maison de famille des Duhamel à Valmondois.