Absolvoval Fiorello H. LaGuardia High School of Music & Art and Performing Arts. Hereckou kariéru Timothée Chalamet nastartoval rolemi v krátkých filmech.
Posléze se Timothée Chalamet objevil v seriálu Ve jménu vlasti. Na filmovém plátně debutoval rolí v dramatu Muži, ženy a děti Jasona Reitmana. Zahrál si také ve sci-fi Christophera Nolana Interstellar.
Průlom v profesní dráze Timothée Chalameta přinesla postava Elia Perlmana v romantickém dramatu z roku 2017 Dej mi své jméno (Call Me by Your Name). Za svůj výkon byl nominován na Oscara a Zlatý glóbus a získal několik ocenění, např. Independent Spirit Awards v kategorii Nejlepší herec v hlavní roli.
Tu Timothée Chalamet dostal také ve fantasy dobrodružné komedii Wonka (2023) či v kultovních sci-fi dramatech natočených podle knih Franka Herberta Duna (Dune: Part One) z roku 2021 a Duna: Část druhá (Dune: Part Two) z roku 2023.
Kromě filmové tvorby se Timothée Chalamet věnuje hraní na divadelních prknech.
Timothée Chalamet pochází z umělecké rodiny. Jeho otec Marc Chalamet je spisovatel a matka Nicole Flender herečka.