Năm 2017, Chalamet đã được công nhận rộng rãi hơn với vai phụ trong bộ phim Lady Bird và Hostiles, và vai chính trong bộ phim lãng mạn Call Me by Your Name của Luca Guadagnino. Bộ phim sau này đã giúp anh được đề cử giải Oscar cho Nam diễn viên xuất sắc nhất, khiến anh trở thành ứng cử viên trẻ thứ ba trong danh mục này. Năm sau, anh đóng vai một thiếu niên nghiện ma túy trong bộ phim truyền hình Beautiful, do đó anh đã nhận được đề cử giải BAFTA cho Nam diễn viên xuất sắc nhất trong vai phụ.
kịch lãng mạn