Chalametin läpimurto tuli vuonna 2017 roolistaan Elio Perlmanina Luca Guadagninon romanttisessa draamassa "Call Me by Your Name", jonka jälkeen hän esiintyi aikuisten elokuvissa "Hot Summer Nights" ja "Lady Bird" sekä lännenelokuvassa "Hostiles". Hänen roolinsa "Call Me by Your Name" -elokuvassa sai hänelle Oscar-ehdokkuuden parhaasta näyttelijästä.
19-vuotiaan Mickey Rooneyn jälkeen, kun hän esiintyi "Babes in Armsissa" vuonna 1939. Sitten hän näytteli Nic Sheffiä draamassa "Beautiful Boy" (2018), josta hänet nimitettiin Golden Globe -palkinnon, Screen Actors Guild -palkinnon ja BAFTA-elokuvapalkintoon parhaaksi rinnakkaisnäyttelijäksi. Vuonna 2019 Chalamet näytteli Woody Allenin romanttisessa komediassa "A Rainy Day in New York". Myöhemmin samana vuonna Chalamet näytteli Englannin Henrik V:tä ja Theodore "Laurie" Laurencea kausi-elokuvissa "The King" ja "Little Women".