Timothée Chalamet creció en una familia artística, apareciendo en comerciales y en la escena teatral de Nueva York, y asistió a la LaGuardia High School of Music, Art and Performing Arts, donde su compañero de clase y amigo era el actor Ansel Elgort (ambos recibieron más tarde sus primeras nominaciones al Globo de Oro en el mismo año, 2017). Durante un tiempo, Timothée también asistió a la Universidad de Columbia.

Hizo su debut cinematográfico en 2014, como estudiante de secundaria en Men, Women & Children (2014) de Jason Reitman y como el hijo adolescente del personaje de Matthew McConaughey en Interstellar (2014). Posteriormente tuvo papeles considerables en varias películas independientes, interpretando la versión más joven del escritor Stephen Elliott en The Adderall Diaries (2015), el protagonista masculino, Zac, en el drama One & Two (2015), y a Billy en el drama de viaje por carretera Miss Stevens (2016). En el teatro, ha aparecido en las obras The Talls, de Anna Kerrigan, y en la autobiográfica Prodigal Son de John Patrick Shanley, mientras que en televisión ha tenido un papel menor en la película Loving Leah (2009), un papel importante en Law & Order (1990), y papeles más sustanciosos en las series Royal Pains (2009) y Homeland (2011), entre otros trabajos.

Saltó a la fama en 2017, apareciendo en notables papeles secundarios, como un soldado en el western Hostiles (2017) y un interés amoroso de secundaria del personaje principal en Lady Bird (2017), y en un papel protagónico como Elio, un joven judío italiano de 17 años que tiene un romance con el asistente mayor de su padre, interpretado por Armie Hammer, en el drama de Luca Guadagnino Call Me by Your Name (2017). El papel de Timothée como Elio recibió un importante reconocimiento de la crítica, y fue nominado al Premio de la Academia al Mejor Actor, al Globo de Oro al Mejor Actor, Drama, y ganó numerosos premios de grupos de críticos al Mejor Actor del Año.

En 2018, protagonizó como Nic Sheff, quien sufre problemas de abuso de sustancias, en el drama Beautiful Boy (2018). En 2019, encabezó la comedia de Woody Allen A Rainy Day in New York (2019), con Selena Gomez, interpretó a Enrique V de Inglaterra, Rey de 1413 a 1422, en el drama histórico The King (2019), y encarnó al interés amoroso Laurie en la versión de Greta Gerwig de Little Women (2019).