Der am 20. Februar 1953 in Mailand geborene Sohn des Komponisten Luciano Chailly unternahm seine ersten Schritte als Dirigent als Assistent von Claudio Abbado an der Mailänder Scala. Ab 1974 war Chailly an den großen Opernhäusern der Welt tätig, so dirigierte er regelmäßig in Chicago und 1977 in San Francisco. Von 1982 bis 1989 war er Chefdirigent des Radio-Symphonie-Orchesters Berlin.
1985 debütierte er beim Concertgebouw-Orchester in Amsterdam, dort war er von 1988 bis 2004 als Chefdirigent tätig. 2005 wurde Chailly Chefdirigent des Gewandhausorchesters Leipzig sowie Generalmusikdirektor der Oper Leipzig. 2008 legte er nach Differenzen nach einem Leitungswechsel an der Oper das Amt des Generalmusikdirektors nieder, verlängerte aber gleichzeitig seinen Vertrag als Gewandhauskapellmeister bis 2015.
Seit 2015 dirigiert Chailly in Theatern auf der ganzen Welt, wobei er weiter eine enge Beziehung zum Scala-Orchester unterhält. Auch an der Staatsoper in Wien ist er öfters mit den Wiener Philharmonikern aufgetreten. Im Jahr 2015 wurde Chailly zum Musikdirektor der Scala ernannt. Im darauffolgenden Jahr übernahm er die musikalische Leitung des Lucerne Festival. In seiner Karriere hat Chailly 200 Konzerte mit dem Scala-Orchester dirigiert.