Damien Sayre Chazelle lahir pada tanggal 19 Januari 1985 di Providence, Rhode Island, Amerika Serikat. Ia adalah anak dari pasangan bernama Celia Martin, seorang penulis dan profesor sejarah kelahiran Kanada, dan Bernard Chazelle, seorang ilmuwan komputer terkemuka asal Prancis yang juga merupakan profesor di Universitas Princeton. Dengan latar belakang keluarga yang penuh intelektual, Damien tumbuh dalam lingkungan yang sangat menghargai seni dan akademik.

Masa kecilnya dipenuhi dengan paparan berbagai budaya karena garis keturunannya yang multinasional. Ayahnya yang berkebangsaan Prancis sering memperkenalkan Damien pada seni klasik Eropa, sedangkan ibunya memberikan perspektif tentang sastra dan seni Amerika. Ketertarikannya pada dunia seni, terutama film, mulai terlihat sejak kecil. Ia mulai membuat film pendek menggunakan kamera sederhana, terinspirasi dari kecintaannya pada sinema dan musik.

Namun, Damien juga sempat bercita-cita menjadi musisi jazz. Saat bersekolah di Princeton High School, ia menjadi pemain drum jazz yang sangat berbakat. Walaupun sangat mencintai musik, Damien menyadari bahwa dirinya tidak cukup berbakat untuk menjadi musisi profesional. Keputusan ini akhirnya membawanya kembali fokus ke dunia perfilman, di mana ia merasa dapat menggabungkan kecintaannya terhadap musik dan narasi visual.