Né et élevé à Manhattan, Timothée Chalamet évolue dans le milieu artistique dès son plus jeune âge. D’ascendance américaine et russe par sa mère et française par son père, il apparaît très tôt dans des publicités ainsi que sur la scène théâtrale new-yorkaise. C’est en 2008 qu’il fait ses premiers pas à l’écran, tout d’abord dans des courts métrages horrifiques (Sweet Tooth, Clown) puis à la télévision dans les séries New York Police judiciaire et Royal Pains. Mais c’est en 2012 qu’il se fait remarquer : alors qu’il étudie à La Guardia High School of Music & Art and Performing Arts à New York, il décroche le rôle de Finn Walden, le fils du vice-président, dans la deuxième saison de Homeland.

Deux ans plus tard, c’est au cinéma qu’il fait ses armes, tout d’abord dans le film choral Men, Women & Children de Jason Reitman où il donne la réplique à son ami Ansel Elgort qu’il a rencontré à La Guardia High School of Music & Art. La même année, il apparaît dans le premier blockbuster de sa jeune carrière : Christopher Nolan le choisit pour incarner le fils de Matthew McConaughey dans Interstellar. Suivent des productions indépendantes inédites en France (One & Two, Miss Stevens, Hot Summer Nights dont il tient le premier rôle).

En 2018, son nom est sur toutes les lèvres grâce à trois films - dont deux nommés aux Oscars - qui lui permettent de s'illustrer dans des registres variés. Il incarne tout d'abord Kyle, un lycéen ténébreux qui fait tourner la tête de Lady Bird dans la première réalisation solo de Greta Gerwig, puis se glisse dans la peau d'un soldat dans le western crépusculaire Hostiles où il donne la réplique à Christian Bale. Mais c'est surtout grâce à Call Me By Your Name qu'il explose aux yeux du grand public. Cette histoire d'amour homosexuelle et charnelle mise en scène par Luca Guadagnino lui offre l'occasion d'interpréter - en italien, en anglais et en français - un adolescent qui connaît ses premiers émois sexuels en même temps que sa première peine de coeur. Il décroche, à 22 ans seulement, sa première nomination à l'Oscar du meilleur acteur face à des pointures telles que Denzel Washington, Gary Oldman et Daniel Day-Lewis. Il enchaîne depuis les projets, de la comédie romantique Un jour de pluie à New York du controversé Woody Allen au drame My Beautiful Boy où il est le fils toxicomane de Steve Carell, en passant par la fresque historique Netflix Le Roi. Il retrouve en 2020 Greta Gerwig pour une nouvelle adaptation des Quatre Filles du Docteur March où il donne encore la réplique à Saoirse Ronan. En 2021, le jeune comédien est à l'affiche de deux films événements : The French Dispatch, film choral de Wes Anderson à l'impressionnant casting (Bill Murray, Tilda Swinton, Owen Wilson, Frances McDormand, entre autres) et Dune, adapté du monument de la SF de Frank Herbert. Pour la première fois de sa jeune carrière, Timothée Chalamet est la tête d'affiche d'une grosse production dotée d'un budget de 165 millions de dollars. Il succède à Kyle MacLachlan dans le rôle de Paul Atreides, plus de 35 ans après le film de David Lynch. L'acteur n'est pas près d'arrêter son ascension : on l'attend dans les prochains projets de Luca Guadagnino (la suite de Call Me By Your Name et le film d'horreur Bones & All) ainsi que dans Wonka, consacré aux origines du chocolatier Willy Wonka.