Timothée Hal Chalamet naît le 27 décembre 1995 dans le quartier de Hell's Kitchen, à New York. Il est le fils du Français Marc Chalamet (né en 1953 à Nîmes), diplômé de l'Institut d'études politiques de Lyon, journaliste, correspondant du Parisien à New York, éditeur à l'UNICEF. Sa mère est l'Américaine Nicole Flender (née en 1958 à New York), diplômée d'un baccalauréat en français à Yale, précédemment actrice, danseuse à Broadway, professeur de danse et professeur de français puis agent immobilier.

La famille de sa mère, d'origine juive de Russie et d'Autriche, est très présente dans le cinéma : son grand-père maternel est le scénariste Harold Flender, son oncle Rodman Flender est réalisateur et producteur ; et sa tante Amy Lippman, épouse du précédent, est également productrice.

Durant sa jeunesse, la famille Chalamet vit au Manhattan Plaza, un gratte-ciel à vocation sociale dont 75 % des logements sont statutairement loués à des artistes du spectacle vivant, dans le quartier de Hell's Kitchen. Il étudie à l'école secondaire LaGuardia pour jeunes artistes, d'où il sort diplômé en 2013. Sa sœur aînée, Pauline Chalamet, est également actrice et vit à Paris.

Depuis son enfance, Timothée Chalamet et sa famille passent régulièrement des vacances au Chambon-sur-Lignon, en Haute-Loire, dans une maison où habitaient son grand-père paternel, Roger Chalamet, pasteur venu de Saint-Étienne, et sa grand-mère canadienne Jean. Timothée Chalamet a mentionné que ces séjours en France sont la cause de ses difficultés à définir son identité à la frontière de plusieurs cultures.

De nationalité américaine et française, il parle couramment l'anglais et le français.

Il est révélé au grand public grâce à son rôle d'Elio Perlman dans le film romantique Call Me by Your Name en 2017, pour lequel il obtient une nomination au Golden Globe ainsi qu'à l'Oscar du meilleur acteur. Il devient alors le plus jeune acteur nommé dans cette catégorie en quatre-vingts ans.

Depuis ce succès, il alterne entre films indépendants et super-productions. Naviguant entre les genres, il compte parmi ses films les plus notoires Interstellar , Les Filles du docteur March (2019), Don't Look Up : Déni Cosmique , The French Dispatch , la franchise Dune , Wonka  et Un parfait inconnu pour lequel il remporte le Screen Actors Guild Award du meilleur acteur et décroche une nouvelle nomination à l'Oscar du meilleur acteur.

Il devient en peu de temps un collaborateur fréquent des cinéastes Luca Guadagnino et Greta Gerwig, et tourne sous la direction d'autres réalisateurs de renom tels que Wes Anderson, Denis Villeneuve, Woody Allen ou Christopher Nolan.

En 2017, en plein tournage d'Un jour de pluie à New York de Woody Allen, des accusations d'agression sexuelle visant le réalisateur du long-métrage réapparaissent dans l'actualité. Timothée Chalamet, ainsi que ses camarades de jeu Rebecca Hall, Selena Gomez et Griffin Newman, déclarent alors ne pas vouloir tirer profit de cette collaboration et décident de reverser en totalité leurs cachets aux associations Time's Up, le centre LGBT de New York et Rape, Abuse & Incest National Network. Il soutient à partir de ce moment le mouvement MeToo. En 2020, Woody Allen l'accuse dans ses mémoires de l'avoir dénoncé pour ne pas réduire ses chances de recevoir un Oscar.

Le 4 juin 2020, il participe discrètement à la marche en mémoire de George Floyd, afro-américain interpellé puis tué quelques jours plus tôt par plusieurs policiers pour avoir roulé en état d'ivresse, en contestation des violences policières aux États-Unis, l'acteur se déclarant favorable au contrôle des armes à feu.

En octobre de la même année, dans le contexte de l'élection présidentielle américaine, il participe au vote anticipé à New York. Le mois d'après, il se rend à une célébration de l'élection du candidat démocrate Joe Biden.

Il collabore en 2021 avec le créateur Haider Ackermann pour concevoir un sweat-shirt à capuche dont 100 % des bénéfices seront reversés à l'organisation française Afghanistan Libre, centrée sur la préservation des droits des femmes en Afghanistan.

L'acteur se déclare sensible aux enjeux du climat.

Le 11 novembre 2023, il réalise, avec le groupe d'humoristes new-yorkais Please Don't Destroy, un sketch dans lequel il se met dans la peau d'un musicien mal-aimé et suicidaire dont le nom du groupe est « Hamas », moquant ainsi l'organisation islamiste éponyme, à la suite des attaques terroristes qu'elle a perpétrées le 7 octobre 2023 en Israël. Les retours sur ce sketch sont partagés sur les réseaux sociaux, certains accusant l'acteur de soutenir la politique ultra-conservatrice du gouvernement israélien et de minimiser la situation humanitaire à Gaza. Il finit par réagir quelques jours plus tard en affirmant son impartialité sur le sujet : « Parfois, la comédie est vraiment le seul moyen de dépasser le tragique. Je suis de tout cœur avec tous ceux dont la vie a été détruite cette semaine. Mais ce soir, je vais faire ce que j'ai toujours fait face à la tragédie, à savoir essayer d'être drôle. ».

Passionné depuis son enfance de football, il soutient l'équipe de l'AS Saint-Étienne. Il est également un supporter de l'équipe de basket-ball des Knicks de New York.

Il aime la musique hip-hop et considère le rappeur Kid Cudi comme sa plus grande inspiration de carrière, aux côtés des acteurs Leonardo DiCaprio, Joaquin Phoenix et Heath Ledger. Il est également fan du rappeur Kanye West et de la chanteuse Beyoncé.

Au lycée public LaGuardia, il rencontre Lourdes Leon, fille de la chanteuse Madonna et du coach sportif Carlos Leon, dont il partage la vie entre 2013 et 2015.

Entre 2018 et 2020, il est en couple avec l'actrice franco-américaine Lily-Rose Depp, fille de la chanteuse et actrice Vanessa Paradis et de l'acteur Johnny Depp, qu'il a rencontrée sur le tournage du film Le Roi.

Il a ensuite une brève histoire avec l'artiste et mannequin mexicaine Eiza González, qui se termine en décembre 2020.

Depuis 2023, Timothée Chalamet est en couple avec la star de télé-réalité et femme d'affaires Kylie Jenner. Ils vivent à Beverly Hills, dans une villa acquise en novembre 2022 par le comédien qui appartenait naguère au mannequin Kate Upton.

Il est un ami de longue date de l'acteur Ansel Elgort et de l'acteur et humoriste Stéphane Bak.

S'il vit essentiellement aux États-Unis, Timothée Chalamet déclare se sentir plus à l'aise en France ; les moments qu'il y a passés au cours de son enfance à l'occasion de vacances auraient contribué à lui donner le sens de l'observation.