Timothée Hal Chalamet, Manhattan'da emlak komisyoncusu ve dansçı Nicole Flender ile UNICEF editörü Marc Chalamet'nin çocuğu olarak dünyaya geldi. New Yorklu olan annesi Yahudi olup Rus Yahudisi ve Avusturya Yahudisi kökenlidir. Fransa'nın Nimes kentinden olan babası Fransız ve İngiliz kökenlidir. Aktris Pauline Chalamet'nin kardeşi, yönetmen Rodman Flender'in yeğeni ve senarist Harold Flender'in torunu olan Timothée, sanatçı bir ailede büyümüş, reklam filmlerinde ve New York tiyatro sahnesinde yer almış, sınıf arkadaşı ve arkadaşı aktör Ansel Elgort'un da bulunduğu LaGuardia Müzik, Sanat ve Sahne Sanatları Lisesi'ne gitmiştir (ikili daha sonra ilk Altın Küre adaylıklarını aynı yıl, 2017'de almıştır). Timothée bir süre Columbia Üniversitesi'ne de devam etti. 2014 yılında Jason Reitman'ın Erkekler, Kadınlar ve Çocuklar (2014) filminde bir lise öğrencisi ve Yıldızlararası (2014) filminde Matthew McConaughey'in genç oğlu olarak ilk filmini yaptı. Daha sonra Adderall Günlükleri'nde (2015) yazar Stephen Elliott'ın genç versiyonunu, Bir ve İki (2015) dramasında erkek başrol Zac'i ve Miss Stevens (2016) yol dramasında Billy'yi canlandırarak çeşitli bağımsız filmlerde önemli roller aldı. Sahnede, Anna Kerrigan'ın The Talls ve John Patrick Shanley'nin otobiyografik eseri Prodigal Son oyunlarında yer alırken, televizyonda Loving Leah (2009) filminde küçük bir rol, Law & Order'da (1990) büyük bir rol ve Royal Pains (2009) ve Homeland (2011) dizilerinde daha etli roller üstlendi.Vahşiler'de (2017) bir asker ve Uğur Böceği'nde (2017) başroldeki karakterin lise aşkı olarak ve Luca Guadagnino draması Beni Adınla Çağır'da (2017) Armie Hammer'ın canlandırdığı babasının yaşlı asistanıyla aşk yaşayan 17 yaşındaki İtalyan Yahudisi Elio olarak başrolde yer alarak 2017'de önemli yardımcı rollerde göründü. Timothée'nin Elio rolü önemli eleştiriler aldı ve En İyi Erkek Oyuncu Akademi Ödülü, En İyi Erkek Oyuncu, Drama Altın Küre Ödülü'ne aday gösterildi ve birçok eleştirmen grubunun Yılın En İyi Erkek Oyuncusu ödüllerini kazandı.2018'de Güzel Oğlum (2018) dramasında madde bağımlılığı sorunları yaşayan Nic Sheff rolünü canlandırdı. 2019 yılında Selena Gomez ile Woody Allen komedisi New York'ta Yağmurlu Bir Gün (2019) filminde başrol oynadı, tarihi drama Kral (2019) filminde 1413-1422 yılları arasında İngiltere Kralı olan V. Henry'yi canlandırdı ve Greta Gerwig'in Küçük Kadınlar (2019) filminde aşk karakteri Laurie'yi canlandırdı.