Selama menempuh pendidikan, Timothée Chalamet mendapatkan peran kecil di televisi dan melakukan debut Off-Broadway di The Talls (2011).
Pada tahun 2012, ia mendapatkan peran di serial TV Royal Pains and Homeland.
Setelah lulus SMA pada tahun 2013, Chalamet bermain di film Interstellar (2014), di mana dia memainkan versi muda dari karakter Casey Affleck.
Dia kemudian mendaftar di perguruan tinggi, pertama kuliah di Universitas Columbia, Kota New York, dan kemudian Universitas New York, tapi dia akhirnya keluar untuk fokus pada akting.
Chalamet mendapatkan beberapa peran dalam film layar lebar, termasuk The Adderall Diaries (2015) dan Miss Stevens (2016).
Terobosan Chalamet datang pada tahun 2017 ketika ia membintangi Call Me by Your Name, sebuah film adaptasi dari novel André Aciman tahun 2007 tentang cinta pertama.
Ia berperan sebagai Elio, seorang remaja kosmopolitan yang tinggal di Italia selama tahun 1980-an, yang jatuh cinta pada karyawan magang ayahnya, Oliver.
Penampilan Chalamet mendapat sambutan hangat dan banyak penggemar.
Ia juga menjadi pemain termuda dalam 80 tahun yang menerima nominasi Academy Award untuk aktor terbaik.
Tawaran film segera menyusul, termasuk Lady Bird, Hostiles, dan Hot Summer Nights (semua 2017).
Chalamet kemudian tampil bersama dengan Steve Carell di Beautiful Boy (2018), sebuah drama yang didasarkan pada memoar ayah dan anak tentang kecanduan narkoba.