Dos años más tarde, hizo su debut cinematográfico en la comedia dramática Men, Women & Children y apareció en la película de ciencia ficción Interstellar.

[7]​ La abuela paterna de Timothée, que se había mudado a Francia, era originalmente canadiense.

[26]​ Su aceptación en la Fiorello H. LaGuardia High School of Music & Art and Performing Arts fue un punto de inflexión en su aprecio por la actuación.

Él dijo: «Una vez que llegué a la escuela secundaria, fui a una escuela de artes escénicas llamada LaGuardia, tuve algunos maestros excelentes y realmente me enamoré de ella.

[23]​ Luego siguió con un papel menor en la película hecha para la televisión titulada Loving Leah (2009).

[44]​[45]​ En 2012, tuvo papeles recurrentes en la serie dramática Royal Pains y en la aclamada serie de espías y suspense Homeland, en la que interpretó a «Finn Walden», el hijo rebelde del Vicepresidente.

[46]​ En 2014, debutó en el cine con un papel menor en la película Men, Women & Children, del director Jason Reitman.

[47]​ Más tarde en ese mismo año, interpretó a «Tom Cooper», en la película del productor Christopher Nolan titulada Interstellar.

[49]​[50]​[51]​ También en 2014, Chalamet interpretó a «Sam» versión adolescente del personal principal interpretado por Noah Barrow en la película Worst Friends, una comedia que se estrenó en salas de cines y recibió críticas positivas.

[39]​ En febrero de 2016, interpretó a «Jim Quinn» en la obra autobiográfica Prodigal Son en el Manhattan Theatre Club.

Más tarde fue seleccionado por el dramaturgo y director John Patrick Shanley y el productor Scott Rudin para interpretar a «Shanley», un niño proveniente del Bronx que se encuentra inadaptado en una prestigiosa escuela de preparatoria de New Hampshire ambientada en 1963.

[58]​ Recibió excelentes críticas por su actuación y fue nominado en los premios Drama League por su actuación distinguida y ganó el premio Lucille Lortel al mejor actor principal en una obra de teatro.

[59]​[60]​[61]​[62]​ Chalamet también coprotagonizó junto a Lily Rabe la película independiente Miss Stevens (2016) de Julia Hart como el estudiante problemático Billy Mitman.

[85]​[86]​[87]​ Más tarde ese año, interpretó a Kyle Scheible, un rico hipster en una banda y un interés amoroso del personaje de Saoirse Ronan en Lady Bird, el debut como directora en solitario de Greta Gerwig.

[90]​ Más tarde ese año, Chalamet interpretó a Nic Sheff, un adolescente adicto a la metanfetamina que comparte una relación tensa con su padre, el periodista David Sheff (interpretado por Steve Carell), en el drama Beautiful Boy: Siempre serás mi hijo.

La película está dirigida por Felix Van Groeningen y se basa en un par de memorias—las memorias del anciano Sheff del mismo nombre y Tweak: Growing Up on Methamphetamines de Nic Sheff.

[93]​ Al año siguiente, Chalamet protagonizó la comedia romántica A Rainy Day in New York de Woody Allen.

[99]​[100]​ Richard Lawson de Vanity Fair escribió: «Chalamet hace un trabajo sólido, enderezando su postura larguirucha a medida que avanza, asumiendo el papel como un hombre ascendente».

[121]​ En 2022, Chalamet se reunió con Luca Guadagnino en la película de romance y terror Bones and All, en la que actuó junto a Taylor Russell como vagabundos caníbales.

[131]​ Derek Smith de Slant Magazine elogió a Chalamet por "imbuir a Wonka [con] una calidez y ternura que esta en perfecta unión con el vibrante y extraño mundo que King crea aqui".

[132]​ Su actución le consiguió otra nominación al Globo de oro a Mejor Actor.

[133]​ Wonka recaudó alrededor de $632 millones en todo el mundo para situarse como la película más taquillera con Chalamet como protagonista.

[135]​[136]​ Variety informó que el éxito en taquilla de Wonka y Dune: Part Two estableció a Chalamet como una gran estrella.

[137]​ Chalamet interpretará al cantante Bob Dylan en una película biográfica llamada A Complete Unknown, dirigida por James Mangold.

[151]​[152]​ Vogue lo nombró el hombre más influyente en la moda en 2019 y lo acredita por continuar «manejando el límite entre la masculinidad tradicional y la feminidad» escribiendo «esas elecciones de moda son aún más impresionantes considerando que Chalamet se diseña a sí mismo».

El evento fue parte de la exhibición In America: A Lexicon of Fashion del Costume Institute.