Aunque su familia es de origen ruso-francés, Timothée Hal Chalamet nació el 27 de diciembre de 1995 en la ciudad de Nueva York. Desdé pequeño apareció en diversos comerciales para la televisión y posteriormente estudió la preparatoria en la LaGuardia High School of Music and Performing Arts en donde conoció al también actor, Ansel Elgort. Hizo su debut cinematográfico mientras aún estudiaba en la cinta Hombres, mujeres y niños (2014). Su trabajo le ayudó a conseguir roles en películas como Interestelar (2014), The Adderall Diaries (2015), One and Two (2015) y Miss Stevens (2016). Timothée también ha aparecido en producciones de televisión como Loving Leah (2009), La ley y el orden (1990) y Homeland (2011).

En 2017 apareció en tres producciones importantes: Hostiles, Lady Bird y Llámame por tu nombre. Su trabajo es esta última le valió nominaciones al Oscar y al Globo de Oro entre otros premios.

En 2018 trabajará bajo la dirección de Woody Allen en A Rainy Day in New York en donde comparte créditos con Selena Gómez.