Chalameti läbimurre toimus 2017. aastal tema rolliga Elio Perlmanina Luca Guadagnino romantilises draamas "Helista mind oma nimega", pärast mida ta ilmus täiskasvanute filmides "Kuumad suveööd" ja "Lady Bird" ning ka läänefilmis "Hostiles". Tema esinemine filmis "Helista mind oma nimega" tõi talle Oscari parima näitleja nomineerimise, muutes 22-aastase Timothée kolmandaks noorimaks nomineeritujaks selles kategoorias ja noorimaks
alates 19-aastasest Mickey Rooney'st tema näitlemisega "Babes in Arms'is" 1939. aastal. Seejärel mängis ta Nic Sheffi draamas "Beautiful Boy" (2018), mille eest ta nomineeriti Kuldgloobuse auhinnale, Screen Actors Guild auhinnale ja BAFTA filmiauhinnale, kõik parima abikaasa eest. 2019. aastal mängis Chalamet Woody Alleni romantilises komöödias "A Rainy Day in New York". Hiljem samal aastal mängis Chalamet Inglismaa Henry V ja Theodore "Laurie" Laurence'i rolli perioodidramas "Kuningas" ja "Väikesed naised".