Par la suite, le jeune acteur se fait connaître réellement en 2017, en décrochant le rôle d’Elio dans Call Me by Your Name. Dans ce film romantique de Luca Guadagnino, il joue ici le rôle d’un adolescent succombant aux charmes d’un étudiant en vacances en Italie. Dans ce film il incarne le rôle du personnage principal, un premier rôle qui lui vaudra une nomination pour l’Oscar du meilleur acteur en janvier 2018.
Dans ce long métrage, le personnage d’Elio est un jeune homme bilingue, parlant aussi bien le français que l’italien, il est également artiste pouvant jouer du piano comme de la guitare. On comprend très vite qu’Elio est un jeune homme charmant qui séduit quiconque croisera sa route et c’est ce personnage qui mit en lumière les nombreux talents de Timothée Chalamet. Pour la seconde fois, il sera nommé, aux Screen Actors Guild Awards cette fois, lors des BAFTAs, les Golden Globes ainsi qu’aux Oscars dans la catégorie Meilleur Acteur. Il devient alors le plus jeune acteur de notre génération à avoir été nommé aux Oscars dans cette catégorie puisque la dernière fois que quelqu’un décrocha cette nomination à cet âge date d’il y a 80 ans.