Damien Paul Chazelle est né le 19 janvier 1985 à Providence (Rhode Island) aux États-Unis. Il grandit à Princeton dans le New Jersey et commence à jouer de la musique à l'école primaire, avant de découvrir le jazz à l'adolescence.
Après des études au Harvard College, il s'installe à Los Angeles pour étudier au California Institute of the Arts, où il a pour professeurs John McTiernan et Glenn Close.
Son premier long-métrage est "Guy and Madeline on a Park Bench" (2009), qui raconte l'histoire de deux musiciens jazz à Providence. Le film reçoit des critiques positives et permet à Chazelle d'attirer l'attention du public et de la critique.
En 2014, il réalise son deuxième long-métrage, "Whiplash", qui raconte l'histoire d'un jeune musicien de jazz et de son professeur abusif. Le film reçoit des critiques exceptionnelles et est nommé à cinq Oscars dont celui du meilleur film.
En 2016, il réalise "La La Land", un musical romantique qui raconte l'histoire d'un musicien de jazz et d'une chanteuse de pop. Le film est un grand succès commercial et critique et reçoit également des nominations à sept Oscars dont celui du meilleur film.
En 2018, il réalise "First Man" sur la vie du astronaute Neil Armstrong. Le film reçoit des critiques mitigées mais est nommé à plusieurs cérémonies de récompenses.
En 2020, il sort "Babylon", un film historique sur le cinéma muet qui marque la fin de l'ère du cinéma muet. Le film a pour acteurs Brad Pitt et Margot Robbie.
Damien Chazelle est également compositeur et son œuvre musicale comprend des compositions originales pour les films "Guy and Madeline on a Park Bench" (2009), "Whiplash" (2014) et "La La Land" (2016).
Il a reçu deux Oscars pour la meilleure direction artistique et le meilleur mixage de son.