Elu membre associé de l'Académie des sciences dans la classe de botanique le 4 septembre 1738, Duhamel du Monceau devient « pensionnaire botaniste » le 10 septembre 1738 et servira fidèlement cette institution toute sa vie.
Dès sa création, le roi demande à l’Académie de réaliser un appui au développement industriel et artisanal. En 1712, Réaumur est chargé d’un programme d'édition portant sur 250 arts, la Description des Arts et Métiers, dont les premiers fascicules ont pour thèmes l’artisanat de luxe et de la métallurgie. Réaumur et l’Académie mettent au point les méthodes, élaborent le style des gravures et accumulent une immense documentation qui suscitera plus tard la convoitise des Encyclopédistes, mais le projet s’interrompt en 1725.
Après le décès de Réaumur, la documentation est remise en 1759 à vingt académiciens qui sont chargés de relancer la Description, mais sans qu’un animateur ne soit désigné. Héritier de Réaumur en matière d’ingénierie et de technologie, Duhamel aura à cœur de reprendre cette publication. En 1761 paraît le premier fascicule de la Description ressuscitée, l’Art du Charbonnier, et jusqu’en 1788, 73 monographies réparties en 99 fascicules in-folio seront publiées. Vingt monographies portent la signature de Duhamel du Monceau, associée dans deux cas à celle de Réaumur, dont il reprend l’Art de l’épinglier et la Fabrique des Ancres. Dans son Art du serrurier, Duhamel reprend les préceptes de Mathurin Jousse pour distinguer les diverses sortes de fer, et de façon à en faire l’usage qui convient à chacun d’eux : « on connaît encore mieux la qualité du fer en examinant son grain : pour cela il faut le rompre ». Ces préceptes conduiront à la métallographie. Son Art de raffiner le sucre sera illustré par Aignan-Thomas Desfriches.
Le statut d’Inspecteur Général de la Marine expose Duhamel du Monceau aux attaques des Encyclopédistes qui méprisent la Marine et proclament que la gloire et la supériorité de la France lui viennent des Arts et des Lettres :
« Ce Duhamel a inventé une infinité de machine qui ne servent à rien ; écrit et traduit une infinité de livres sur l'agriculture, qu'on ne connaît plus ; fait toute sa vie des expériences dont on attend encore quelque résultat utile »
— Denis Diderot
Diderot semble oublier ses emprunts à Duhamel du Monceau pour l’Encyclopédie, notamment pour les articles « Agriculture », « Corderie », « Pipe » et « Sucre ».
La succession de Grandjean de Fouchy, secrétaire perpétuel de l’Académie des Sciences, voit s’affronter les partisans de Condorcet, conduits par d’Alembert, et ceux de l’astronome Bailly, dirigés par le comte de Buffon. En 1773, la nomination de Condorcet comme adjoint de Grandjean de Fouchy voit le triomphe du parti des philosophes face au parti des officiers de marine lié à Duhamel. Mais en janvier 1775, les partisans de Bailly, dont Patrick d'Arcy et Jean-Charles de Borda, tout deux officiers de marine, font créer une commission chargée de contrôler les travaux du secrétaire, ce que Condorcet considère comme une censure. Pour être élu, ce dernier doit renoncer à la pension de 1 000 écus et présenter sa candidature en bonne et due forme pour respecter le règlement de l'Académie. Condorcet fera plus tard référence à cet épisode :
« Quoiqu'il aimât beaucoup les innovations dans les sciences et qu'il se fût appliqué toute sa vie à en introduire d'utiles dans les arts, il ne les aimait point en politique et encore moins dans le régime intérieur des corps littéraires […] »
— Condorcet, Eloge funèbre de Duhamel du Monceau (30 avril 1783)