Après des études à l'École Louis Lumière, Laurent Chevallier devient assistant caméra sur de nombreux longs métrages, collaborant notamment avec René Allio (Retour à Marseille, 1980) et Jean-Jacques Beineix (Diva, 1981). Il est ensuite cadreur puis, à partir de 1986, directeur de la photographie sur des films tels que La Vengeance du serpent à plumes (Gérard Oury, 1984) et Les Spécialistes (Patrice Leconte, 1985). Il passe à la réalisation pour la télévision, le temps de documentaires sur différentes régions du monde.

Passionné de montagne, Laurent Chevallier fait de la traversée de l'Antarctique par Jean-Louis Étienne le sujet de son premier long métrage documentaire, Au sud du sud, réalisé en 1990. Suivent le documentaire sur l'Afrique Djembefola, le long-métrage de fiction L' Enfant noir (1995), tourné en Guinée, et un autre documentaire Circus Baobab (2000). En 2002, L' Enfant noir est choisi pour faire partie de l'opération "Collège et cinéma", et à cette occasion, Chevallier fait venir en France l'acteur principal du film, Baba Camara, pour présenter le film aux élèves. Ce voyage est filmé, et devient un documentaire, Voyage au pays des peaux blanches.

En 2003, il signe le long-métrage La Vie sans Brahim, qui présente la vie d'un originaire du Maroc qui vient reprendre l'épicerie d'un petit village de l'Essonne. Brahim est un SDF que Mostafa va tenter de socialiser. En centrant toujours son travail sur le continent africain, Chevallier réalise Momo le doyen, un documentaire sur le roi du jazz africain, qui avait déclaré aux américains "le jazz est né chez vous, mais, moi je l'ai ramené chez moi, en Afrique, car c'est de là qu'a jailli sa source". Dans son long métrage l'Expérience africaine en 2009, les musiciens du groupe guinéen Fôlifö initient les élèves d'un collège du Gers à un jazz joué avec les instruments traditionnels africains, puis les emmènent à Conakry (Guinée) pour leur montrer les racines de cette musique. Deux ans après, avec La Pépinière du désert, le cinéaste retrace l'histoire d’un paysan marocain et d'un immigré vivant dans l’Essonne, qui décident de faire pousser des arbres dans le désert.