Timothée Chalamet se narodil roku 1995 v New Yorku na Manhattanu jako syn Francouze a Američanky. Navštěvoval Fiorello H. LaGuardia High School of Music & Art and Performing Arts v New Yorku a jako herec účinkuje od svých 13 let. Nejprve vystupoval v epizodních rolích v několika televizních seriálech. Od roku 2013 hraje též ve filmech. Momentálně je ve vztahu s Laurou Rodrigo.

Svoji hereckou kariéru začal rolemi v krátkých filmech, později se objevil v seriálu Ve jménu vlasti. Svůj debut v celovečerním filmu zaznamenal v dramatu Muži, ženy a děti (2014) Jasona Reitmana a objevil se také ve science-fiction filmu Christophera Nolana Interstellar (2014).

V roce 2017 sklidil uznání za svůj výkon v rolích ve filmech Lady Bird režisérky Grety Gerwig, westernu Hostiles režiséra Scotta Coopera a v neposlední řadě za romantický film Call Me by Your Name, kterého se ujal italský režisér Luca Guadagnino. Za tento snímek byl nominován na Zlatý glóbus, BAFTA a mimo jiné také na Oscara za nejlepší mužský herecký výkon v hlavní roli.