Timothée Hal Chalamet nasceu em Manhattan, de Nicole Flender, corretora e dançarina imobiliária, e Marc Chalamet, editor da UNICEF. Sua mãe, de Nova York, é judia, descendente de judeus russos e judeus austríacos. Seu pai, que é de Nîmes, na França, tem ascendência francesa e inglesa. Ele é irmão da atriz Pauline Chalamet, sobrinho do diretor Rodman Flender e neto do roteirista Harold Flender.
Ele cresceu em uma família artística, aparecendo em comerciais e na cena teatral de Nova York e frequentando a High School de Música, Arte e Artes Cênicas de LaGuardia, onde seu colega e amigo era o ator Ansel Elgort (os dois mais tarde receberam seu primeiro Globo de Ouro indicações no mesmo ano, 2017). Por um tempo, Timothée também estudou na Columbia University.
Ele estreou no cinema em 2014, como estudante do ensino médio em Homens, Mulheres e Crianças (2014), de Jason Reitman, e o filho adolescente do personagem de Matthew McConaughey, em Interstellar (2014). Posteriormente, ele 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 and Two (2015) e Billy no drama de viagem Miss Stevens (2016). No palco, ele apareceu nas peças The Talls, de Anna Kerrigan, e o filho autobiográfico Prodigal de John Patrick Shanley, enquanto na televisão ele teve um papel menor no filme Loving Leah (2009), uma parte importante de Law & Order (1990), papéis mais marcantes nos programas Royal Pains (2009) e Homeland (2011), entre outros trabalhos.
Ele estourou em 2017, aparecendo em notáveis papéis coadjuvantes, como soldado nos Hostis ocidentais (2017) e uma queda do ensino médio pelo personagem-título em Lady Bird (2017), e em um papel de liderança como Elio, um judeu italiano dezessete anos um ano de idade que romances 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 elogios da crítica e foi indicado ao Oscar de Melhor Ator e 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 liderará a comédia Woody Allen A Rainy Day in New York (2019), com Selena Gomez, interpretará Henry V da Inglaterra, rei de 1413 a 1422, no drama histórico The King (2019) e incorporará interesse amoroso Laurie na opinião de Greta Gerwig sobre Little Women (2019).
