2009年，因在律政剧《法律与秩序第十九季》中饰演谋杀案受害者而踏入演艺圈；同年，在电视电影《Loving Leah》中饰演年轻的杰克。

2011年，在以20世纪70年代为背景的外百老汇（非百老汇）舞台剧《The Talls》中饰演对性充满好奇的12岁少年尼古拉斯。

2012年，参演电视剧《欲海医心第三季》和《欲海医心第四季》；同年，参演悬疑剧《国土安全第二季》，饰演副总统叛逆的儿子芬恩，他凭借该片入围美国演员工会奖电视剧类最佳群戏奖。

2013年，参演电视电影《Trooper》；同年，提莫西·查拉梅毕业于美国拉瓜迪亚高中  ；之后在哥伦比亚大学就读  ，一年后，转学去了纽约大学的加勒廷个性化学习学院  。他专心于演艺事业，尚未完成纽约大学的学业  。

2014年，出演个人首部电影《男人女人和孩子》，该片由贾森·雷特曼执导  ；同年，与马修·麦康纳共同出演由克里斯托弗·诺兰执导的科幻电影《星际穿越》，饰演17岁的音乐学生汤姆  ；此外，他还出演了喜剧电影《糟糕的朋友们》。

2015年，与琪兰·席普卡共同出演的惊悚电影《1和2》在柏林国际电影节首映  ；同年，与詹姆斯·弗兰科、埃德·哈里斯共同出演剧情电影《阿德拉尔日记》，饰演年轻的斯蒂芬·埃利奥特  ；同年，与约翰·古德曼、黛安·基顿、艾伦·阿金共同出演家庭喜剧电影《爱上库珀一家》，饰演四世同堂过圣诞中性格阴沉的孙子  。

2016年2月，参演由约翰·帕特里克·斯坦利执导的舞台剧《浪子回头》，饰演Jim Quinn  ，他凭借该剧入围戏剧联盟奖杰出表演奖，获得Lucille Lortel奖（非百老汇戏剧奖）最佳男主角奖  ；3月12日，与莉莉·拉贝共同出演的剧情电影《史蒂文斯小姐》在西南偏南电影节上映，在片中饰演问题学生比利  。

2017年1月22日，与艾米·汉莫合作主演的爱情电影《请以你的名字呼唤我》在圣丹斯电影节首映  ，该片于2016年6月在意大利拍摄，为了饰演艾利欧，他花费数周学习了意大利语和弹奏吉他  ；2017年3月14日，参演的剧情电影《炎夏之夜》在西南偏南电影节上映  ；11月3日，与西尔莎·罗南、劳里·梅特卡夫联合出演的喜剧电影《伯德小姐》在美国院线上映  ；12月22日，与克里斯蒂安·贝尔、裴淳华出演的西部电影《敌对分子》在北美院线上映  。

2018年1月，凭借爱情电影《请以你的名字呼唤我》入围第90届奥斯卡金像奖最佳男主角奖  ；3月3日，凭借电影《请以你的名字呼唤我》获得第33届独立精神奖最佳男主角奖  ；9月7日，与史蒂夫·卡瑞尔、艾米·莱安合作出演由菲力斯·范·古宁根执导的电影《漂亮男孩》在多伦多国际电影节首映，饰演毒瘾少年Nic Sheff，而为了这个角色他特地瘦身、减掉20磅  ；11月，凭借电影《漂亮男孩》获得第22届好莱坞电影奖最佳男配角奖  。

2019年，凭借电影《漂亮男孩》获得第76届美国金球奖电影类最佳男配角提名  ；3月，与弗兰西斯·麦克多蒙德、比尔·默瑞、蒂尔达·斯文顿合作出演由韦斯·安德森执导的电影《法兰西特派》  ；3月18日，与斯特兰·斯卡斯加德、丽贝卡·弗格森、乔什·布洛林合作主演由丹尼斯·维伦纽瓦执导的电影《沙丘》  ；9月2日，与乔尔·埃哲顿、莉莉-罗丝·德普、罗伯特·帕丁森合作主演的Netflix电影《兰开斯特之王》在威尼斯国际电影节非竞赛单元首映  ；9月18日，与艾丽·范宁、裘德·洛、赛琳娜·戈麦斯合作主演由伍迪·艾伦执导的电影《纽约的一个雨天》在法国院线上映  ；12月25日，与梅丽尔·斯特里普、艾玛·沃特森合作出演由格蕾塔·葛韦格执导的电影《小妇人》在美国院线上映  。

2020年10月15日，据外媒报道，亚当·麦凯（《副总统》《大空头》）自编自导的Netflix（奈飞）新片《不要抬头》公布了演员阵容。“小李子”莱昂纳多·迪卡普里奥、“大魔王”凯特·布兰切特、“梅姨”梅丽尔·斯特里普、“大表姐”詹妮弗·劳伦斯、“甜茶”提莫西·查拉梅、“A妹”爱莉安娜·格兰德、乔纳·希尔、希米什·帕特尔、马修·派瑞、托莫·希思黎等人均将加盟该片。

2021年10月22日，与丽贝卡·弗格森、奥斯卡·伊萨克等主演的科幻电影《沙丘》在北美上映  。