Inicialmente solo buscaba algo con lo que calmar su dolor, pero pronto se convirtió en la estrella del Instituto St.

Dunstan's Episcopal y varias universidades se fijaron en él a pesar de llevar jugando solo desde noveno grado.

Fue nombrado All-American, y ganó en 1997 el Premio John R. Wooden al mejor jugador masculino de toda la NCAA.

Junto a otros, lideró la División I de la NCAA en 1996-97 en rebotes (14,7 por partido), fue décimo en tapones (3,3) y 28.º en anotación (20,8).

Ese año, también lideró la conferencia en puntos, rebotes, porcentaje de tiros de campo y tapones, convirtiéndose en el primer jugador en la conferencia en liderar esas cuatro categorías estadísticas en un mismo año.

En postemporada cayeron ante Utah Jazz en Semifinales de Conferencia tras batir a Phoenix Suns en primera ronda.

En playoffs, sin embargo, las cosas no fueron tan bien, siendo eliminados de nuevo ante los Lakers, esta vez en semifinales.

En la 2002-03 volvió a recibir el MVP de la temporada, promediando en esta ocasión 23,3 puntos, 12,9 rebotes, 3,9 asistencias y 2,9 tapones por noche.

Tras batir a los Suns, Lakers y Mavericks, todos ellos por 4-2, se plantaron en las finales por primera vez desde 1999.

[3]​ Tras la retirada de Robinson, Duncan se convertía en el auténtico líder del equipo.

Aunque sus estadísticas descendieron (20,3 puntos, 11,1 rebotes, 2,7 asistencias y 2,6 tapones) en la temporada 2004-05, los Spurs regresaron a las Finales de la NBA, ganándolas por tercera vez y con un Duncan recibiendo su tercer MVP de las Finales (solo Michael Jordan, Shaquille O'Neal, Magic Johnson y LeBron James han ganado ese premio en tres o más ocasiones).

En la final, se enfrentaron a los Miami Heat del Big Three, liderados por LeBron James, Chris Bosh y Dwyane Wade.

A pesar de conseguir ir por delante en la serie con un 3-2, perdieron los dos últimos partidos y Miami conquistó (4-3) su segundo título consecutivo.

Sin embargo, una lesión en la rodilla le impidió formar parte del equipo campeón olímpico.

Tras este evento Duncan declaró que probablemente no volvería a disputar una competición FIBA.