Cheadle sai Screen Actors Guild (SAG) -kortin, kun hän esiintyi hampurilaisravintolan työntekijänä vuoden 1985 komediassa Liikkuva rikkomus. Vuonna 1987 hän sai pienen roolin Hill Street Bluesin 7. kauden jaksossa 19, jossa hän esitti teiniä, jolla oli oppimisvaikeuksia. Tätä seurasi esiintyminen Hamburger Hillissä samana vuonna; Cheadle varmisti Jackin roolin 1. huhtikuuta 1988 Night Courtin jaksossa ”Jung and the Restless”. Vaikka hänen hahmonsa oli 16-vuotias, Cheadle oli tuolloin 23-vuotias.
Cheadle näytteli sitten Rocketin roolin vuoden 1988 elokuvassa Colors. Vuonna 1989 hän esiintyi Angela Winbushin nro 2 -hittisinglen ”It’s the Real Thing” videolla, jossa hän esitti tanssiliikkeitä oranssissa haalarissa työskennellessään autopesulassa. Vuonna 1990 hän esiintyi The Fresh Prince of Bel-Air -sarjan jaksossa ”Homeboy, Sweet Homeboy”, jossa hän näytteli Will Smithin ystävää ja Hilaryn ensimmäistä rakkausintressiä, Ice Trayta. Vuonna 1992 hän näytteli sivuosassa Kultaiset tytöt -spin-offissa The Golden Palace. Tämän jälkeen Cheadle näytteli piirisyyttäjä John Littletonia kolmella kaudella Picket Fences -sarjassa.
Cheadle sai ensimmäisen kerran laajaa huomiota Mouse Alexanderin roolistaan elokuvassa Paholainen sinisessä mekossa, josta hän voitti parhaan miessivuosan palkinnot Los Angelesin elokuvakriitikoiden yhdistykseltä (Los Angeles Film Critics Association) ja elokuvakriitikoiden kansalliselta yhdistykseltä (National Society of Film Critics), ja hän oli ehdolla samankaltaisiin palkintoihin näyttelijöiden kiltakunnalta (Screen Actors Guild) ja NAACP:n Image Awardseilta. Pian tämän jälkeen hän näytteli vuonna 1996 HBO:n tv-elokuvan Rebound nimiroolin: The Legend of Earl ”The Goat” Manigault. Hän näytteli myös Mick Jacksonin ohjaamassa elokuvassa Volcano vuonna 1997. Hän näytteli myös Rush Hour 2 -elokuvassa Jackie Chanin ja Chris Tuckerin kanssa.
Cheadlen tv-esiintymisiin kuuluu Emmy-ehdokkaana olleita esiintymisiä elokuvissa The Rat Pack, A Lesson Before Dying, Things Behind the Sun ja vierailevana esiintyjänä sarjassa ER. Viimeisin näistä käsitti neljä jaksoa sarjan yhdeksännellä kaudella, jossa hän esitti Paul Nathania, lääketieteen opiskelijaa, joka kamppailee Parkinsonin taudin kanssa. Hän on esiintynyt muun muassa elokuvissa Rosewood, The Family Man, Boogie Nights, Out of Sight, Traffic ja Ocean’s Eleven. Nämä kolme viimeistä ovat Steven Soderberghin ohjaamia. Hän esiintyi cameona elokuvassa Abby Singer. Vuonna 2005 Cheadle oli ehdolla parhaan miespääosan Oscar-palkinnon saajaksi roolistaan Paul Rusesabagina elokuvassa Hotel Ruanda. Hän myös näytteli ja oli mukana tuottamassa Crash-elokuvaa, joka voitti vuoden 2006 parhaan elokuvan Oscar-palkinnon. Suorituksestaan Crash-elokuvassa Cheadle oli ehdolla parhaan miessivuosan BAFTA- ja Screen Actors Guild -palkinnon saajaksi. Hän näytteli päähenkilöä elokuvassa Traitor.
Maaliskuussa 2007 Cheadle näytteli koomikko Adam Sandlerin kanssa Mike Binderin elokuvassa Reign Over Me, joka on draamakomedia miehestä, joka on luisunut pois todellisuudesta vaimonsa ja kolmen tyttärensä kuoltua syyskuun 11. päivänä. Elokuva oli lipputulojen kannalta floppi, sillä se tuotti kotimaassa 22,2 miljoonaa dollaria. Cheadle näytteli myöhemmin vuonna 2009 DreamWorks Picturesin elokuvassa Hotel for Dogs. Cheadlen oli tarkoitus tehdä ohjaajadebyyttinsä Elmore Leonardin Tishomingo Bluesin sovituksella, mutta heinäkuussa 2007 hän totesi: ”’Tishomingo’ on kuollut…”
Cheadle esiintyi NFL:n Super Bowlia mainostavissa mainoksissa vuosina 2002-2005. Hän esiintyi niin säännöllisesti NFL:n Super Bowl -mainonnassa, että vuonna 2006, kun NFL pyrki saamaan fanit esittämään omia mainosideoitaan, se pyysi häneltä lupaa viitata hänen aiempiin mainoksiinsa esittääkseen, ettei heillä olisi uusia ideoita: ”hän hyväksyi idean nopeasti ja piti sitä hauskana”. Abe Sutton (yhdessä Etan Bednarshin kanssa), yksi tämän NFL-kilpailun finalisteista, leikitteli tällä mainoksella ehdottamalla mainosta, jossa jokainen jalkapallojoukkueen pelaaja on Don Cheadle.
Vuonna 2009 Cheadle ja Boondocksin luoja Aaron McGruder työskentelivät mahdollisen komediasarjan parissa NBC:llä. ”Projekti pyörii epäsopivien veljesten ympärillä, jotka palaavat yhteen avatakseen yksityisen turvallisuusyrityksen”. Cheadlen ja McGruderin oli määrä toimia vastaavina tuottajina, kun taas McGruderin odotettiin kirjoittavan käsikirjoituksen.
Seuraavasti vuonna 2009 Cheadle esiintyi The People Speak -dokumenttielokuvassa, joka käyttää dramaattisia ja musiikillisia esityksiä arkipäivän amerikkalaisten kirjeistä, päiväkirjoista ja puheista ja joka perustuu historioitsija Howard Zinnin teokseen A People’s History of the United States.
Vuonna 2010 Cheadle otti Sotakoneen / James Rhodesin roolin Iron Man 2:ssa (2010) Terrence Howardin tilalle. Cheadle toisti tämän roolin Iron Man 3:ssa (2013), Avengers: Age of Ultron (2015), Captain America: Civil War (2016), Avengers: Infinity War (2018) ja Avengers: Endgame (2019), The Falcon and the Winter Soldier (2021) ja hän toistaa roolin tulevassa Disney+-sarjassa Armor Wars.
Vuosina 2012-2016 Cheadle näytteli Showtimen tv-sarjassa House of Lies. Vuonna 2013 hän voitti sarjan roolistaan Golden Globen parhaana näyttelijänä komediasarjassa.
Cheadle kirjoitti ja tuotti kymmenen vuotta jazzmuusikko Miles Davisin elämään perustuvan elokuvan Miles Ahead (2016). Cheadle myös ohjasi ja näytteli elokuvassa. Elokuvan kuvauspaikat löytyivät Cincinnatista.
Vuonna 2018 Cheadle vieraili vierailevana näyttelijänä DuckTalesin ensimmäisen kauden finaalissa antaen Aku Ankan uuden äänitorven. Myöhemmin hän vierailee jälleen vuonna 2020 kolmannen kauden aikana sen jälkeen, kun Aku Aku Aku Aku oli muuttanut todellisuutta Geenin hengen esittämän toiveen myötä.