Cheadle získal nárok na průkaz SAG (Screen Actors Guild), když se objevil jako zaměstnanec hamburgerového podniku v komedii Moving Violations z roku 1985. V roce 1987 získal malou roli v 19. epizodě 7. série seriálu Hill Street Blues, kde hrál teenagera s problémy s učením. Následovalo účinkování ve filmu Hamburger Hill v témže roce; Cheadle získal roli Jacka v epizodě „Jung and the Restless“ seriálu Night Court z 1. dubna 1988. Ačkoli jeho postavě bylo 16 let, Cheadleovi bylo v té době 23 let.
Cheadle si pak zahrál roli Rakety ve filmu Barvy z roku 1988. V roce 1989 se objevil ve videoklipu k hitu č. 2 Angely Winbush „It’s the Real Thing“, kde předváděl taneční pohyby v oranžové kombinéze a pracoval v myčce aut. V roce 1990 se objevil v epizodě seriálu The Fresh Prince of Bel-Air s názvem „Homeboy, Sweet Homeboy“, kde hrál přítele Willa Smithe a Hilaryho první lásku, Ice Tray. V roce 1992 si zahrál vedlejší roli ve spin-offu seriálu The Golden Girls The Golden Palace. Cheadle následně hrál okresního prokurátora Johna Littletona ve třech sezónách seriálu Picket Fences.
Cheadle na sebe poprvé široce upozornil ztvárněním Mouse Alexandera ve filmu Ďábel v modrých šatech, za nějž získal cenu za nejlepší vedlejší roli od Los Angeles Film Critics Association a National Society of Film Critics a byl nominován na podobné ceny od Screen Actors Guild a NAACP Image Awards. Brzy poté si zahrál hlavní roli v televizním filmu HBO Rebound z roku 1996: The Legend of Earl „The Goat“ Manigault. V roce 1997 si zahrál také ve filmu Volcano režiséra Micka Jacksona. Zahrál si také ve filmu Rush Hour 2 s Jackie Chanem a Chrisem Tuckerem.
Cheadle má na svém kontě i televizní role ve filmech The Rat Pack, A Lesson Before Dying, Things Behind the Sun a hostování v seriálu ER. Poslední z nich zahrnovalo čtyři epizody během deváté sezóny seriálu, v nichž ztvárnil Paula Nathana, studenta medicíny, který se snaží vyrovnat s Parkinsonovou chorobou. Objevil se také ve filmech Rosewood, The Family Man, Boogie Nights, Out of Sight, Traffic a Ocean’s Eleven. Poslední tři jmenované filmy režíroval Steven Soderbergh. Ve filmu Abby Singer si zahrál epizodní roli. V roce 2005 byl Cheadle nominován na Oscara za nejlepší mužský herecký výkon za ztvárnění Paula Rusesabagina ve filmu Hotel Rwanda. Hrál také ve filmu Crash, který v roce 2006 získal Oscara za nejlepší film, a podílel se na jeho produkci. Za svůj výkon ve filmu Crash byl Cheadle nominován na ceny BAFTA a Screen Actors Guild Awards pro nejlepšího herce ve vedlejší roli. Hrál hlavní postavu ve filmu Zrádce.
V březnu 2007 si Cheadle zahrál s komikem Adamem Sandlerem ve filmu Mikea Bindera Reign Over Me, komediálním dramatu o muži, který se po smrti své ženy a tří dcer při 11. září 2001 vytratil z reality. Film byl kasovním propadákem a na domácím trhu vydělal 22,2 milionu dolarů. Cheadle si později zahrál ve filmu společnosti DreamWorks Pictures Hotel pro psy z roku 2009. Cheadle měl jako režisér debutovat adaptací románu Elmora Leonarda Tishomingo Blues, ale v červenci 2007 prohlásil: „‚Tishomingo‘ je mrtvý…“
Cheadle se v letech 2002 až 2005 objevil v reklamách NFL propagujících Super Bowl. Pro NFL se v reklamách na Super Bowl objevoval tak pravidelně, že v roce 2006 v rámci snahy přimět fanoušky, aby předkládali své vlastní reklamní nápady, si NFL vyžádala jeho svolení odkazovat na jeho předchozí reklamy, aby se mohla tvářit, že nemá žádné nové nápady: „rychle se pod tento nápad podepsal a považoval ho za vtipný“. Abe Sutton (spolu s Etanem Bednarshem), jeden z finalistů této soutěže NFL, si na tuto reklamu zahrál a navrhl reklamu, v níž je každý hráč fotbalového týmu Don Cheadle.
V roce 2009 Cheadle a tvůrce Boondocks Aaron McGruder pracovali na potenciální komediální show na NBC. Projekt „se točil kolem nesourodých bratrů, kteří se znovu spojí, aby si otevřeli soukromou bezpečnostní firmu“. Cheadle a McGruder měli působit jako výkonní producenti, zatímco McGruder měl napsat scénář.
V roce 2009 Cheadle také účinkoval v celovečerním dokumentárním filmu The People Speak (Lidé mluví), který využívá dramatické a hudební ztvárnění dopisů, deníků a projevů běžných Američanů na základě knihy historika Howarda Zinna A People’s History of the United States (Lidové dějiny Spojených států).
V roce 2010 Cheadle převzal roli War Machine / Jamese Rhodese ve filmu Iron Man 2 (2010), kde nahradil Terrence Howarda. Cheadle si tuto roli zopakoval ve filmech Iron Man 3 (2013), Avengers: (2015), Captain America: Občanská válka (2016), Avengers: (2018) a Avengers:
V letech 2012 až 2016 Cheadle hrál v seriálu televize Showtime Dům lží. V roce 2013 získal za svou roli v tomto seriálu Zlatý glóbus jako nejlepší herec v komediálním seriálu.
Cheadle strávil deset let psaním a produkcí filmu Miles Ahead (2016) na motivy života jazzového hudebníka Milese Davise. Cheadle film také režíroval a zahrál si v něm hlavní roli. Lokace pro film se nacházely v Cincinnati.
V roce 2018 Cheadle hostoval ve finále první sezóny seriálu DuckTales, kde poskytl Kačerovi Donaldovi novou hlasovou schránku. Později znovu hostoval v roce 2020 během třetí série poté, co přání, které Donald vyslovil džinovi Genovi, změnilo realitu.