Tremblay nasceu em Vancouver, Colúmbia Britânica, em 5 de outubro de 2006. Ele foi criado na cidade vizinha de Langley, Colúmbia Britânica. Seu pai, Jason Tremblay, é detetive policial, e sua mãe, Christina Candia Tremblay, é uma dona de casa. A irmã mais velha de Tremblay, Emma e a irmã mais nova, Erica, também são atores.
Tremblay começou a atuar em papéis de televisão. Ele fez sua estréia no cinema na ação ao vivo / animada The Smurfs 2, lançada em 2013.
Tremblay retratou Jack Newsome no aclamado filme de drama Room, co-estrelado por Brie Larson. O filme, dirigido por Lenny Abrahamson, estreou em 4 de setembro de 2015, no Telluride Film Festival, e foi lançado nos cinemas em 16 de outubro de 2015. Por sua atuação, ele foi nomeado para o Prêmio da Guild Screen Actors de 2015 pelo desempenho excepcional de um ator masculino em um papel de apoio, tornando-se o ator mais jovem nomeado para esse prêmio e o segundo mais novo em todas as categorias.
Em 2016, Tremblay desempenhou um papel de apoio no filme de comédia The Art of the Deal: The Movie, de Donald Trump. e estrela convidada como a versão mais nova do personagem principal, Phil Miller, na série de comédia pós-apocalíptica de Fox, The Last Man on Earth. No mesmo ano, ele estrelou o filme de terror Before I Wake, com Kate Bosworth e Thomas Jane e desempenhou um papel de apoio no thriller psicológico Shut In, novamente ao lado de Watts e co-estrelado por Oliver Platt e dirigido por Farren Blackburn. Ele também retratou Wes Firth no comedy-drama de aventura Burn Your Maps, estrelado por Vera Farmiga e Marton Csokas.
Em 2017, Tremblay interpretou Peter Carpenter no filme drama The Colin Trevorrow The Book of Henry, co-estrelado por Naomi Watts e Maddie Ziegler. Ele também jogou August Pullman in Wonder, baseado em R.J. O romance do palácio do mesmo nome.
Tremblay é um ávido fã da franquia Star Wars e nomeou seu cachorro depois do personagem de Daisy Ridley, Rey. Sua emoção com os personagens BB-8, R2-D2 e a aparição do C-3PO na cerimônia dos 88º Prêmios da Academia foi considerada um destaque da noite.