A Rhode Island-i Providence-ben született, majd a New Jersey állambeli Princetonban nőtt fel, ahol francia származású apja a Princeton Egyetem informatika professzora volt, anyja pedig középkori történelmet tanított a College of New Jersey-ben. Anna nevű húga szintén a filmiparban helyezkedett el, kis szerepekben feltűnt bátyja filmjeiben is.
A történetmesélés és a zene iránti szeretete középiskolás évei alatt alakult ki, ekkor kezdett jazzdobolással is foglalkozni. Bár végül nem a zene mellett döntött, a jazz iránti rajongása később a Whiplash című filmjét is megihlette.
Egyetemi évei alatt lett jó barátja Justin Hurwitz, akivel egy együttesben zenéltek, s aki filmjei zeneszerzőjeként azóta két Oscar- és négy Golden Globe-díjat is begyűjtött.
Chazelle forgatókönyvírói és rendezői debütálása a Guy and Madeline on a Park Bench című romantikus zenés film volt. Az eredetileg diplomamunkájának szánt, 16 mm-es filmre forgatott fekete-fehér alkotást a Tribeca Filmfesztiválon mutatták be 2009-ben. Ezt követően Los Angelesbe költözött és próbált producert találni a 2010-ben papírra vetett Kaliforniai álom (La La Land) című filmjéhez, közben forgatókönyvíróként működött közre Az utolsó ördögűzés 2. című horrorban és a Hibátlan előadás című thrillerben.
Végül a 18 perces rövid változat 2013-ban hatalmas sikert aratott és díjat nyert a Sundance Filmfesztiválon. A közel kétórás változatot 2014-ben készítette el Miles Teller és J. K. Simmons főszereplésével, a filmet öt kategóriában jelölték Oscar-díjra (köztük Chazelle-t a legjobb adaptált forgatókönyvért), amelyből hármat nyert el. A film legnagyobb nyertese a kíméletlen zenetanárt alakító J. K. Simmons lett, akit számos filmfesztiválon díjaztak, megkapta a legjobb mellékszereplőnek járó Oscar-, Golden Globe- és BAFTA-díjat is.
A sikernek köszönhetően végre sikerült producert találnia a Kaliforniai álomhoz, amely 2016-ban a Velencei Nemzetközi Filmfesztivál nyitófilmje volt. A hollywoodi musicalek aranykora előtt tisztelgő alkotásban Ryan Gosling egy jazz-zongoristát, Emma Stone pedig egy feltörekvő színésznőt alakít, akik a sztársággal kapcsolatos álmaikat kergetik Los Angelesben.
köztük Chazelle elnyerte a legjobb rendezőnek és a legjobb forgatókönyvért járó elismerést is. A Golden Globe történetében korábban egyetlen film sem vitt el ennyi díjat egyetlen este alatt, ezzel letaszította a trónról a hat-hat Golden Globe-díjjal jutalmazott Száll a kakukk fészkére (1975) és az Éjféli expressz (1979) című produkciókat.
Az alkotás történelmet írt az Oscar-díjak tekintetében is – rekordszámú, 14 kategóriában kapott jelölést, akárcsak Joseph L. Mankiewicz Mindent Éváról és James Cameron Titanic című filmje. Ebből hatot váltott díjra, köztük Chazelle az Oscar történetében a rendezők közül a legfiatalabban, 32 évesen vehette át az aranyszobrocskát.
2018-ban szintén az ő filmjével, az első Holdra szállásról szóló, Az első ember című alkotásával nyílt meg a Velencei Filmfesztivál. A címszereplő Neil Armstrongot Ryan Gosling, feleségét pedig Claire Foy alakította. Bár az alkotás pozitív kritikákat kapott, és négy kategóriában is Oscar-díjra jelölték, végül csak a legjobb vizuális effektekért járó aranyszobrocskát nyerte le.
Ezt követően producere és két epizód rendezője volt a Netflixen bemutatott The Eddy (2020) című minisorozatnak. 2022-ben került mozikba a Hollywood aranykorában játszódó Babylon című filmdrámája Margot Robbie és Brad Pitt főszereplésével. Bár a produkciót több rangos díjra is nominálták, a mozikasszáknál nem teljesített jól: a közel 160 millió gyártási költség mellett alig 63 millió dollár bevételt produkált.
A rendező 2018-ban vette feleségül Olivia Hamilton színésznőt, akivel együtt vezetik produceri cégüket. 2023-ban Chazelle vezette a velencei filmfesztivál zsűrijét. Tavaly év végén jelentették be, hogy új filmen dolgozik, amely egyes hírek szerint az amerikai kaszkadőrlegenda, Evel Knievel életéről fog szólni.