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Duhamel est située dans la MRC de Papineau. La municipalité est nommée en mémoire de Joseph-Thomas Duhamel, deuxième évêque d'Ottawa.
Duhamel est à 50 km au nord de Papineauville, sur les rives de la rivière de la Petite Nation. Elle est accessible par la route 321 dont elle sert de terminus nord.
La majorité du territoire est située sur la roche mère à l'exception de la vallée de la Petite-Nation, entre le lac Simon et le lac Gagnon, qui est une vallée de dépôt fluvio-glaciaire. Le réseau hydrographique va du nord vers le sud suivant la Petite-Nation, à l'exception de la rivière du Sourd qui coule vers l'ouest en direction de la rivière du Lièvre. La municipalité possède quelques lacs de bonne taille : les lacs Simon, Gagnon et Preston. Les principales rivières sont celles de la Petite-Nation, Preston et du Sourd.