Chazelle sinh ra trong một gia đình công giáo tại Providence, Rhode Island.[3][4] Mẹ anh là bà Celia (Martin) Chazelle, một nhà văn và giáo sư lịch sử người Mỹ gốc Canada tại Đại học New Jersey, lớn lên ở Calgary, Alberta.[5] Còn cha anh là Bernard Chazelle, một giáo sư khoa học máy tính người Mỹ gốc Pháp tại Đại học Princeton, có gốc từ Clamart, Pháp.[6] Chazelle có một người chị tên Anna, là một nữ diễn viên và nghệ sĩ xiếc. Ông nội của anh là John Sayre Martin, Jr., con trai của John Sayre Martin từng làm việc tại Paramount Pictures ở Luân Đôn và Eileen Earle, một nữ diễn viên sân khấu.[7]

Ban đầu anh ao ước làm phim, nhưng sau đó muốn trở thành một nhạc công, khổ luyện để trở thành một tay trống tại trường Trung học Princeton. Chazelle chia sẻ mình có một giáo viên âm nhạc vô cùng khắc nghiệt, là niềm cảm hứng cho nhân vật Terence Fletcher trong tác phẩm Whiplash. Cho rằng bản thân không có khiếu âm nhạc, anh quay trở lại với "mối tình đầu tiên" là làm phim sau khi tốt nghiệp trung học.[8] Anh theo học khóa làm phim tại Đại học Harvard và tốt nghiệp năm 2007.[9][10]