Après son service militaire pendant lequel il fit une rencontre décisive à Istanbul (Biographie de Yves Tanguy par Rene le Bihan-Renée Mabin-Mrtica Sawin) - le poète Jacques Prévert , il s'installe dans le quartier Montparnasse et fréquente un groupe de surréalistes, dont le peintre Yves Tanguy et la plupart des écrivains des années 30.
En 1928, il traduit un premier roman, Les Émeraudes sanglantes de Raoul Whitfield. Il enchaîne divers petits métiers comme celui de modiste, décorateur, chef de plateau aux studios Pathé-Nathan, publicitaire, éditeur pendant deux ans d'une revue de tourisme (Voyage en France).
Suite à la traduction d'un second roman (Le Petit César de William Riley Burnett), il travaille pour les studios de la Tobis Klangfilm et adapte les dialogues de plus d'une centaine de films américains.
Parallèlement, il joue au cinéma dans des films comme L'affaire est dans le sac,
Le Dernier Milliardaire ou Le Crime de Monsieur Lange.
Sa rencontre avec le dramaturge
Marcel Achard en 1944 est déterminante. Ce dernier lui fait découvrir deux romans noirs de Peter Cheyney. Enthousiaste, Marcel Duhamel les traduit et propose à Gallimard de les publier dans une nouvelle collection. En octobre 1945 sera créée la « Série noire » et il dirigera cette collection jusqu'à sa mort en 1977, popularisant ainsi le roman noir américain auprès de plusieurs générations de Français.
Durant les années 50 et 60, il crée et anime d'autres collections littéraires : « Série Blême » et « Panique » (Gallimard), « Oscar » (Denoël), « Haute tension » (ZED).
Il mène en même temps une activité de traducteur des oeuvres de
John Steinbeck, Ernest Hemingway, Richard Wright, Erskine Caldwell,
Irwin Shaw et de nombreux auteurs de romans noirs.
Adaptateur pour le théâtre de plusieurs romans (Pas d'orchidées pour Miss Blandish ; Du rififi chez les hommes, etc.), Marcel Duhamel a aussi signé une autobiographie : Raconte pas ta vie (Mercure de France, 1972).