Po niepowodzeniach ze znalezieniem wsparcia finansowego zrealizował krótkometrażową wersję Whiplasha z J.K. Simmonsem w roli Terence’a Fletchera. Film został wystawiony do Sundance Film Festival, na którym zdobył nagrodę za najlepszy film krótkometrażowy oraz zainteresowanie producentów. Pełnometrażowa wersja została ukończona w 2014, uzyskała pięć nominacji do Oscara i wygrała w trzech w kategoriach: najlepszy aktor drugoplanowy, najlepszy montaż oraz najlepszy dźwięk.
31 sierpnia 2016 premierowo zaprezentował musicalowy film La La Land na Międzynarodowym Festiwalu Filmowym w Wenecji. Po ogólnoświatowej premierze obraz uzyskał nominacje m.in. do Oscara za najlepszą reżyserię i najlepszy scenariusz oryginalny. Chazelle otrzymał Oscara za najlepszą reżyserię, będąc najmłodszym, wówczas trzydziestodwuletnim, zwycięzcą w historii tej kategorii. Na 70. ceremonii wręczenia nagród Brytyjskiej Akademii Filmowej otrzymał nagrodę za najlepszą reżyserię. Film zdobył również siedem statuetek na 74. ceremonii wręczenia Złotych Globów, w tym za najlepszą reżyserię i najlepszy scenariusz.
W 2018 premierę miał jego kolejny film Pierwszy człowiek, będący biografią amerykańskiego astronauty i pierwszego człowieka na Księżycu – Neila Armstronga.
Chazelle przewodniczył obradom jury konkursu głównego na 80.