Chalamets gennembrud kom i 2017 med hans rolle som Elio Perlman i Luca Guadagninos romantiske drama "Call Me by Your Name", hvorefter han optrådte i coming-of-age-filmene "Hot Summer Nights" og "Lady Bird" samt westernfilmen "Hostiles". Hans præstation i "Call Me by Your Name" gav ham en Oscar-nominering for bedste mandlige hovedrolle, hvilket gjorde 22-årige Timothée til den tredje yngste nominerede i kategorien og den yngste
siden 19-årige Mickey Rooney med sin optræden i "Babes in Arms" i 1939. Han spillede derefter Nic Sheff i dramaet "Beautiful Boy" (2018), hvor han blev nomineret til en Golden Globe Award, en Screen Actors Guild Award og en BAFTA Film Award, alle for bedste birolle. I 2019 medvirkede Chalamet i Woody Allens romantiske komedie "A Rainy Day in New York". Senere samme år medvirkede Chalamet som Henry V af England og Theodore "Laurie" Laurence i henholdsvis periodedramaerne "The King" og "Little Women".