Acteur qui reçu une nomination pour l'Oscar du meilleur acteur pour son premier rôle principale dans le film Call Me by Your Name de 2017. Il a également interprété le roi Henry V dans le film Le Roi de 2019 ainsi que plusieurs rôles importants dans Lady Bird, Hostiles, My Beautiful Boy et Les Filles du docteur March.
Il débute sa jeune carrière d'acteur dans le film court de 2018 Sweet Tooth et il part étudier au lycée public LaGuardia à New York (aussi connu sous le nom de Fiorello H. LaGuardia High School of Music & Art and Performing Arts). Il possède une chaîne YouTube.
En 2015, il apparaît dans quatre films: One & Two, Beyond Lies, Miss Stevens, et Nöel chez les Coopers. Il incarne Finn Walden dans la série Homeland sur Showtime et il est aussi connu pour son rôle récurrent de Luke dans Royal Pains.
Il a grandit dans le quartier de Hell's Kitchen de Manhattan à New York avec sa sœur, Pauline, qui est aussi actrice. Il est le fils de Marc Chalamet et Nicole Flender. Son grand-père est le scénariste Harold Flender et son oncle est le directeur Rodman Flender. En 2020, il est sorti avec l'actrice Eiza González. Il a fréquenté l'actrice Lily-Rose Depp.
Il a joué aux côtés de Armie Hammer dans Call Me by Your Name de 2017.