Timothée Chalamet cresceu em uma família artística, aparecendo em comerciais e no cenário teatral de Nova York, e frequentando a LaGuardia High School of Music, Art and Performing Arts, onde seu colega e amigo era o ator Ansel Elgort (os dois mais tarde receberam suas primeiras indicações ao Globo de Ouro no mesmo ano, 2017). Por um tempo, Timothée também frequentou a Universidade Columbia.

Ele fez sua estreia no cinema em 2014, como um estudante do ensino médio em Men, Women & Children (2014), de Jason Reitman, e como o filho adolescente do personagem de Matthew McConaughey em Interstellar (2014). Posteriormente, teve papéis consideráveis em vários filmes independentes, interpretando a versão mais jovem do escritor Stephen Elliott em The Adderall Diaries (2015), o protagonista masculino, Zac, no drama One & Two (2015), e Billy no drama de viagem Miss Stevens (2016). No teatro, ele apareceu nas peças The Talls, de Anna Kerrigan, e Prodigal Son, autobiográfica de John Patrick Shanley, enquanto na televisão, teve um papel menor no filme Loving Leah (2009), um papel importante em Law & Order (1990), e papéis mais substanciais nos programas Royal Pains (2009) e Homeland (2011), entre outros trabalhos.

Ele se destacou em 2017, aparecendo em papéis coadjuvantes notáveis, como um soldado no faroeste Hostiles (2017) e um interesse amoroso do ensino médio da personagem-título em Lady Bird (2017), e em um papel principal como Elio, um jovem judeu italiano de 17 anos que se envolve romanticamente com o assistente mais velho de seu pai, interpretado por Armie Hammer, no drama de Luca Guadagnino Call Me by Your Name (2017). O papel de Timothée como Elio recebeu aclamação significativa da crítica, e ele foi indicado ao Oscar de Melhor Ator, ao Globo de Ouro de Melhor Ator, Drama, e ganhou muitos prêmios de grupos de críticos de Melhor Ator do Ano.

Em 2018, ele estrelou como Nic Sheff, que sofre de problemas de abuso de substâncias, no drama Beautiful Boy (2018). Em 2019, ele liderou a comédia de Woody Allen A Rainy Day in New York (2019), com Selena Gomez, interpretou Henrique V da Inglaterra, Rei de 1413 a 1422, no drama histórico The King (2019), e encarnou o interesse amoroso Laurie na adaptação de Greta Gerwig para Little Women (2019).