Timothée Hal Chalamet Hell’s Kitchenben, Manhattanben született. Nicole Flender ingatlanügynöknek és táncosnak, valamint Marc Chalamet-nek, az UNICEF szerkesztőjének fia. Anyja, aki New Yorkból származik, félig orosz, félig osztrák zsidó származású. Apjának, aki a franciaországi Nîmes-ből származik, francia és angol felmenői vannak, ezért Chalamet amerikai és francia kettős állampolgársággal rendelkezik. Testvére, Pauline Chalamet színésznő. Rodman Flender unokaöccse, és Harold Flender forgatókönyvíró unokája.
Művészi családban nőtt fel, reklámokban és a New York-i színházban is szerepelt. A PS 087 William Sherman általános iskolába, MS 54 Booker T. Washington Middle School szelektív Delta programjába, valamint a LaGuardia Zenei, Művészeti és Előadóművészeti Főiskolára járt, ahol osztálytársa és barátja Ansel Elgort színész volt (mindketten később, 2017-ben megkapták első Golden Globe-jelölésüket). Chalamet egy évig a Columbia Egyetemen járt kulturális antropológia szakra. Ez után a A Gallatin School of Individualized Studyban folytatta színészi tanulmányait.
