Mở đầu năm 2017 của Chalamet là vai chính mà anh đã được chỉ định trước đó ba năm, trong phim điện ảnh chuyển thể từ tiểu thuyết cùng tên năm 2007 của André Aciman, "Call Me by Your Name", đạo diễn bởi Luca Guadagnino. Lấy bối cảnh tại vùng nông thôn miền Bắc nước Ý năm 1983, bộ phim xoay quanh mối quan hệ lãng mạn giữa thiếu niên 17 tuổi Elio Perlman (Chalamet) và sinh viên 24 tuổi người Mỹ, Oliver (Armie Hammer), trợ lí thực tập cho cha của Elio. Để chuẩn bị cho phim, Chalamet đã học tiếng Ý và đàn ghita, đồng thời cũng luyện tập lại đàn piano. Phim có buổi công chiếu đầu tiên tại Liên hoan phim Sundance tháng 1 năm 2017 và nhận được sự hoan nghênh nhiệt liệt, bên cạnh đó diễn xuất của Chalamet cũng được đánh giá cao. Jon Frosch của tờ "The Hollywood Reporter" viết: "Không có màn trình diễn nào của năm nay có thể chân thực theo một cách vừa cảm động, vừa rất thể xác mà cũng rất tâm hồn như vậy", đồng thời anh liệt Chalamet vào danh sách những màn thể hiện tuyệt vời nhất năm 2017 của tạp chí. Tương tự, "The New York Times" cũng đưa Chalamet vào danh sách của mình, tôn vinh anh là một trong những nam diễn viên xuất sắc nhất của năm. Màn trình diễn của Chalamet trong "Call Me by Your Name" đã mang về cho anh một chiến thắng tại Lễ trao giải phim Độc lập Gotham hạng mục Nam diễn viên đột phá, đồng thời cũng giúp anh nhận được đề cử cho hạng mục Nam diễn viên xuất sắc nhất tại các lễ trao giải lớn khác như Giải Quả cầu vàng lần thứ 75, Giải thưởng của Nghiệp đoàn Diễn viên Màn ảnh, Giải BAFTA lần thứ 71 và Giải Oscar lần thứ 90. Chalamet là người trẻ thứ ba trong lịch sử lễ trao giải Oscar được đề cử tại hạng mục Nam diễn viên chính xuất sắc nhất, khi đó anh 22 tuổi, và là người trẻ nhất trong vòng 80 năm kể từ Mickey Rooney năm 1939.