Cheadle blev berettiget til at få sit Screen Actors Guild (SAG)-kort, da han optrådte som ansat i en burgerbar i komedien Moving Violations fra 1985. I 1987 fik han en lille rolle i sæson 7, afsnit 19 af Hill Street Blues, hvor han spillede en teenager med indlæringsvanskeligheder. Dette blev efterfulgt af en optræden i Hamburger Hill samme år; Cheadle sikrede sig rollen som Jack i “Jung and the Restless”-afsnittet af Night Court den 1. april 1988. Selv om hans karakter var 16 år gammel, var Cheadle 23 år på det tidspunkt.
Cheadle spillede derefter rollen som Rocket i filmen Colors fra 1988. I 1989 optrådte han i en video til Angela Winbushs nr. 2-hit “It’s the Real Thing”, hvor han udførte dansemoves i en orange jumpsuit, mens han arbejdede i en bilvask. I 1990 optrådte han i et afsnit af The Fresh Prince of Bel-Air med titlen “Homeboy, Sweet Homeboy”, hvor han spillede Will Smiths ven og Hilary’s første kærlighed, Ice Tray. I 1992 spillede han en birolle i The Golden Girls spin-off The Golden Palace. Cheadle spillede efterfølgende distriktsadvokat John Littleton i tre sæsoner af Picket Fences.
Cheadle fik først stor opmærksomhed for sin portrættering af Mouse Alexander i filmen Djævelen i en blå kjole, for hvilken han vandt priser for bedste birolle fra Los Angeles Film Critics Association og National Society of Film Critics og blev nomineret til lignende priser fra Screen Actors Guild og NAACP Image Awards. Kort efter fulgte hans præstation i titelrollen i HBO-tv-filmen Rebound fra 1996: The Legend of Earl “The Goat” Manigault. Han spillede også en hovedrolle i filmen Volcano fra 1997, instrueret af Mick Jackson. Han spillede også en hovedrolle i Rush Hour 2 med Jackie Chan og Chris Tucker.
Cheadles tv-optræden omfatter Emmy-nominerede optrædener i filmene The Rat Pack, A Lesson Before Dying, Things Behind the Sun og i en gæsteoptræden i ER. Den sidste af disse strakte sig over fire episoder i seriens niende sæson, hvor han portrætterede Paul Nathan, en medicinstuderende, der kæmper med Parkinsons sygdom. Han har medvirket i film som Rosewood, The Family Man, Boogie Nights, Out of Sight, Traffic og Ocean’s Eleven. De tre sidstnævnte blev instrueret af Steven Soderbergh. Han lavede en cameooptræden i filmen Abby Singer. I 2005 blev Cheadle nomineret til en Oscar for bedste skuespiller for sin portrættering af Paul Rusesabagina i filmen Hotel Rwanda. Han spillede også hovedrollen i og var medproducent af filmen Crash, som vandt Oscar for bedste film i 2006. For sin præstation i Crash blev Cheadle nomineret til BAFTA- og Screen Actors Guild Awards for bedste birolle for sin præstation i Crash. Han spillede hovedpersonen i filmen Traitor.
I marts 2007 spillede Cheadle sammen med komikeren Adam Sandler hovedrollen i Mike Binders Reign Over Me, et komedie-drama om en mand, der er gledet væk fra virkeligheden efter sin kones og sine tre døtres død i 9/11. Filmen var et flop i biografen og indtjente en indenlandsk bruttoindtjening på 22,2 millioner dollars. Cheadle spillede senere en hovedrolle i DreamWorks Pictures-filmen Hotel for Dogs fra 2009. Cheadle skulle debutere som instruktør med en filmatisering af Elmore Leonards Tishomingo Blues, men i juli 2007 udtalte han: “‘Tishomingo’ er død…”
Cheadle optrådte i NFL-reklamer, der promoverede Super Bowl fra 2002 til 2005. Han optrådte så regelmæssigt for NFL i deres Super Bowl-reklamer, at NFL i 2006, i en kampagne for at få fans til at indsende deres egne reklameideer, søgte hans tilladelse til at henvise til hans tidligere reklamer for at fremstille sig selv som om de ikke havde nogen nye ideer: “han skrev hurtigt under på ideen og fandt den sjov.” Abe Sutton (sammen med Etan Bednarsh), en af finalisterne i denne NFL-konkurrence, spillede på denne reklame ved at foreslå en reklame, hvor alle spillere på et fodboldhold er Don Cheadle.
I 2009 arbejdede Cheadle og Boondocks-skaberen Aaron McGruder på et potentielt komedieshow på NBC. “Projektet drejer sig om uheldige brødre, der genforenes for at åbne et privat sikkerhedsfirma.” Cheadle og McGruder skulle være udøvende producenter, mens McGruder skulle skrive manuskriptet.
Også i 2009 medvirkede Cheadle i The People Speak, en dokumentarfilm, der bruger dramatiske og musikalske opførelser af breve, dagbøger og taler fra almindelige amerikanere, baseret på historikeren Howard Zinns A People’s History of the United States.
I 2010 påtog Cheadle sig rollen som War Machine / James Rhodes i Iron Man 2 (2010), hvor han erstattede Terrence Howard. Cheadle genoptog denne rolle i Iron Man 3 (2013), Avengers: Age of Ultron (2015), Captain America: Civil War (2016), Avengers: Infinity War (2018) og Avengers: Endgame (2019), The Falcon and the Winter Soldier (2021), og han genoptager rollen i den kommende Disney+-serie Armor Wars.
Fra 2012 til 2016 spillede Cheadle hovedrollen i Showtime-tv-serien House of Lies. I 2013 vandt han en Golden Globe som bedste skuespiller i en komedieserie for sin rolle i serien.
Cheadle brugte ti år på at skrive og producere filmen Miles Ahead (2016), der er baseret på jazzmusikeren Miles Davis’ liv. Cheadle instruerede og spillede også hovedrollen i filmen. Locations til filmen blev fundet i Cincinnati.
I 2018 gæsteoptrådte Cheadle i første sæsons finale af DuckTales, hvor han leverede Anders Ands nye stemmeboks. Han gæsteoptrådte senere igen i 2020 i sæson 3, efter at et ønske, som Donald fremsatte til Genie Gene, havde ændret virkeligheden.