2016 eröffnete Chazelles dritter Spielfilm "La La Land" den Wettbewerb des 73. Internationalen Filmfestivals von Venedig. Das Filmmusical handelt von einem ehrgeizigen Jazzpianisten (gespielt von Ryan Gosling) und einer aufstrebenden Schauspielerin (Emma Stone), die sich im Los Angeles der Gegenwart ineinander verlieben. Der Film gewann in der amerikanischen Filmpreissaison 2016/17 mehr als 100 Auszeichnungen und brachte Chazelle bei der Verleihung der Golden Globe Awards 2017 die Preise in den Kategorien "Beste Regie" und "Bestes Drehbuch" ein. Bei Bekanntgabe der Oscar-Nominierungen 2017 erhielt "La La Land" die Rekordanzahl von 14 Nominierungen, darunter Chazelle in den Kategorien Regie und Originaldrehbuch. Der Film erhielt letztendlich sechs Auszeichnungen, musste sich aber in der Kategorie "Bester Film" dem Drama "Moonlight" geschlagen geben. Mit 32 Jahren wurde Chazelle als bis dahin jüngster Preisträger mit dem Regie-Oscar geehrt.