Тимоти Шаламе родился в Адской кухне на Манхэттене, в семье танцовщицы Николь Флендер и переводчика Марка Шаламе. Его отец — француз, который родился в Ниме в семье французского пастора Роже Жака Шаламе и англофонной канадки Элизабет Эшворт. Его мать — ашкеназская еврейка, её предки были выходцами из Российской империи (Минск) и Австро-Венгрии (Краков, Лапанов, Тарнов). Его старшая сестра — актриса Паулина Шаламе. Его дядя — актёр и режиссёр Родман Флендер; его тётя — телевизионный продюсер и сценарист Эми Липпман; а его дедушкой был писатель и сценарист Гарольд Флендер (1924—1975).

В подростковом возрасте Шаламе часто проводил лето в Шамбон-сюр-Линьон в двух часах езды от Лиона, в доме бабушки и дедушки по отцовской линии. В одном из интервью актёр рассказал, что пребывание во Франции заставило его задуматься о своей межкультурной идентичности. «Когда я был там, я стал французской версией себя», — поведал он La Presse. «Я полностью проникался культурой, и мне даже снились сны на французском». Мечтой будущего актёра на тот момент было стать профессиональным футболистом.

Шаламе учился в Высшей школе музыки и исполнительных искусств Фьорелло Ла Гуардии в Нью-Йорке (его одноклассником был Энсел Эльгорт). Затем в течение года Шаламе изучал культурную антропологию в Колумбийском университете, а после перевёлся в Школу индивидуального обучения им. Галлатина при Нью-Йоркском университете, чтобы свободнее заниматься актёрской карьерой. Шаламе был вдохновлён актёрской профессией, увидев яркую игру Хита Леджера в фильме «Тёмный рыцарь».