Cheadle akkor vált jogosulttá a Screen Actors Guild (SAG) kártyájára, amikor egy hamburgerező alkalmazottjaként szerepelt az 1985-ös Mozgolódó szabálysértések című vígjátékban. 1987-ben kapott egy kisebb szerepet a Hill Street Blues 7. évadának 19. epizódjában, ahol egy tanulási nehézségekkel küzdő tinédzsert alakított. Ezt még ugyanabban az évben egy szereplés követte a Hamburger Hillben; Cheadle megszerezte Jack szerepét a Night Court 1988. április 1-jei, “Jung and the Restless” című epizódjában. Bár a karaktere 16 éves volt, Cheadle ekkor 23 éves volt.
Cheadle ezután játszotta Rocket szerepét az 1988-as Colors című filmben. 1989-ben szerepelt Angela Winbush “It’s the Real Thing” című 2. helyezett slágerének videoklipjében, ahol narancssárga kezeslábasban táncmozdulatokat mutatott be, miközben egy autómosóban dolgozott. 1990-ben szerepelt a The Fresh Prince of Bel-Air “Homeboy, Sweet Homeboy” című epizódjában, ahol Will Smith barátját és Hilary első szerelmét, Ice Tray-t alakította. 1992-ben mellékszerepet játszott a The Golden Girls spin-offjában, a The Golden Palace-ban. Cheadle ezt követően John Littleton kerületi ügyészt alakította a Picket Fences három évadában.
Cheadle először széleskörű figyelmet kapott Mouse Alexander alakításáért az Ördög kék ruhában című filmben, amiért elnyerte a Los Angeles-i Filmkritikusok Szövetségének és a Filmkritikusok Nemzeti Társaságának legjobb férfi mellékszereplő díját, és hasonló díjakra jelölték a Screen Actors Guild és a NAACP Image Awards díjaira. Nem sokkal később a Rebound című 1996-os HBO-tévéfilm címszerepében nyújtott alakítása következett: The Legend of Earl “The Goat” Manigault című filmben. Szerepelt az 1997-es Volcano című filmben is, amelyet Mick Jackson rendezett. Szerepelt a Rush Hour 2-ben is, Jackie Chan és Chris Tucker oldalán.
Cheadle tévés szerepei közé tartozik az Emmy-díjra jelölt alakítása a The Rat Pack, az Egy lecke a halál előtt, a Dolgok a nap mögött című filmekben, valamint egy vendégszereplés az ER-ben. Ez utóbbi négy epizódot ölelt fel a sorozat kilencedik évadában, amelyben Paul Nathant, a Parkinson-kórral küzdő orvostanhallgatót alakította. Olyan filmekben is szerepelt, mint a Rosewood, A családfő, a Boogie Nights, az Out of Sight, a Traffic és az Ocean’s Eleven. Ez utóbbi három filmet Steven Soderbergh rendezte. Az Abby Singer című filmben is szerepelt. 2005-ben Cheadle-t a Hotel Ruanda című filmben Paul Rusesabagina megformálásáért a legjobb színésznek járó Oscar-díjra jelölték. Emellett főszerepet játszott és társproducere volt a Crash című filmnek, amely 2006-ban elnyerte a legjobb filmnek járó Oscar-díjat. A Crashben nyújtott alakításáért Cheadle-t jelölték a BAFTA és a Screen Actors Guild Awards legjobb férfi mellékszereplőnek járó díjra. Ő játszotta a főszerepet az Áruló című filmben.
2007 márciusában Cheadle a komikus Adam Sandlerrel szerepelt Mike Binder Reign Over Me című vígjáték-drámájában, amely egy olyan férfiról szól, aki a felesége és három lánya 9/11-es halála után kicsúszott a valóságból. A film kasszasiker volt, 22,2 millió dolláros hazai bevételt hozott. Cheadle később szerepelt a DreamWorks Pictures 2009-es Hotel kutyáknak című filmjében. Cheadle rendezői debütálását Elmore Leonard Tishomingo Blues című művének adaptációjával tervezte, de 2007 júliusában kijelentette: “‘Tishomingo’ meghalt…”
Cheadle 2002 és 2005 között szerepelt a Super Bowlt népszerűsítő NFL reklámokban. Olyan rendszeresen szerepelt az NFL Super Bowl-reklámjaiban, hogy 2006-ban, amikor a szurkolókat saját reklámötleteik benyújtására szólították fel, az NFL engedélyt kért tőle, hogy hivatkozhasson korábbi reklámjaira, hogy úgy állítsák be magukat, mintha nem lennének új ötleteik: “gyorsan beleegyezett az ötletbe, és viccesnek találta”. Abe Sutton (Etan Bednarsh-csal együtt), az NFL-verseny egyik döntőse erre a reklámra játszott rá azzal, hogy egy olyan reklámot javasolt, amelyben egy futballcsapat minden játékosa Don Cheadle.
2009-ben Cheadle és a Boondocks alkotója, Aaron McGruder egy lehetséges komédiasorozaton dolgozott az NBC-nél. A “projekt össze nem illő testvérek körül forog, akik újra összeállnak, hogy egy privát biztonsági céget nyissanak”. Cheadle és McGruder a tervek szerint executive producerek lennének, míg McGruder várhatóan a forgatókönyvet írná.
Szintén 2009-ben Cheadle szerepelt a The People Speak című dokumentumfilmben, amely Howard Zinn történész A People’s History of the United States (Az Egyesült Államok népi története) című műve alapján készült, hétköznapi amerikaiak leveleinek, naplóinak és beszédeinek drámai és zenei előadásait használja.
2010-ben Cheadle elvállalta War Machine / James Rhodes szerepét a Vasember 2-ben (2010), Terrence Howard helyett. Cheadle újra eljátszotta ezt a szerepet a Vasember 3-ban (2013), a Bosszúállókban: Ultron kora (2015), Amerika kapitány: Civil War (2016), Avengers: Végtelen háború (2018) és a Bosszúállók: Endgame (2019), A Sólyom és a téli katona (2021), és újra eljátssza a szerepet a hamarosan megjelenő Disney+ sorozatban Armor Wars.
2012 és 2016 között Cheadle szerepelt a Showtime televíziós sorozatában, a House of Lies-ben. A sorozatban játszott szerepéért 2013-ban elnyerte a legjobb vígjátéksorozatban nyújtott alakításért járó Golden Globe-ot.
Cheadle tíz éven át írta és producere volt a Miles Davis dzsesszzenész életén alapuló Miles Ahead (2016) című filmnek. Cheadle a film rendezője és főszereplője is volt. A film forgatási helyszíneit Cincinnatiben találták meg.
2018-ban Cheadle vendégszerepelt a DuckTales első évadának fináléjában, Donald Duck új hangdobozát adva. Később, 2020-ban ismét vendégszerepelt a 3. évadban, miután Donald egy kívánsága, amit Gene-nek, a dzsinnnek mondott, megváltoztatta a valóságot.