Cheadle divenne eleggibile per la sua tessera dello Screen Actors Guild (SAG) quando apparve come impiegato di un burger joint nella commedia Moving Violations del 1985. Nel 1987, ha ricevuto un piccolo ruolo nella stagione 7, episodio 19 di Hill Street Blues, dove ha interpretato un adolescente con difficoltà di apprendimento. Questo fu seguito da un’apparizione in Hamburger Hill lo stesso anno; Cheadle si assicurò il ruolo di Jack nell’episodio 1 aprile 1988, “Jung and the Restless” di Night Court. Anche se il suo personaggio aveva 16 anni, Cheadle ne aveva 23 all’epoca.
Cheadle interpretò poi il ruolo di Rocket nel film Colors del 1988. Nel 1989, è apparso in un video per il singolo di successo n. 2 di Angela Winbush “It’s the Real Thing”, eseguendo passi di danza in una tuta arancione, lavorando in un autolavaggio. Nel 1990, apparve in un episodio di The Fresh Prince of Bel-Air intitolato “Homeboy, Sweet Homeboy”, interpretando l’amico di Will Smith e il primo interesse amoroso di Hilary, Ice Tray. Nel 1992, ha avuto un ruolo di supporto in The Golden Girls spin-off The Golden Palace. Cheadle ha successivamente interpretato il procuratore distrettuale John Littleton in tre stagioni di Picket Fences.
Cheadle ha ricevuto per la prima volta una vasta attenzione per la sua interpretazione di Mouse Alexander nel film Devil in a Blue Dress, per il quale ha vinto il premio come miglior attore non protagonista dalla Los Angeles Film Critics Association e dalla National Society of Film Critics ed è stato nominato per premi simili dallo Screen Actors Guild e dal NAACP Image Awards. Subito dopo seguì la sua interpretazione nel ruolo principale del film per la TV HBO Rebound del 1996: The Legend of Earl “The Goat” Manigault. Ha anche recitato nel film Volcano del 1997, diretto da Mick Jackson. Ha anche recitato in Rush Hour 2, con Jackie Chan e Chris Tucker.
I crediti televisivi di Headle includono performance nominate agli Emmy nei film The Rat Pack, A Lesson Before Dying, Things Behind the Sun e in un’apparizione in ER. L’ultima di queste è durata quattro episodi durante la nona stagione dello show, in cui ha interpretato Paul Nathan, uno studente di medicina che lotta per affrontare il morbo di Parkinson. Ha fatto apparizioni in film come Rosewood, The Family Man, Boogie Nights, Out of Sight, Traffic e Ocean’s Eleven. Questi ultimi tre sono stati diretti da Steven Soderbergh. Ha fatto un’apparizione cameo nel film Abby Singer. Nel 2005, Cheadle è stato nominato all’Oscar come miglior attore per la sua interpretazione di Paul Rusesabagina nel film Hotel Rwanda. Ha anche recitato e co-prodotto Crash, che ha vinto il premio Oscar 2006 come miglior film. Per la sua performance in Crash, Cheadle è stato nominato ai BAFTA e agli Screen Actors Guild Awards come miglior attore non protagonista. Ha interpretato il personaggio principale nel film Traitor.
Nel marzo 2007, Cheadle ha recitato con il comico Adam Sandler in Reign Over Me di Mike Binder, una commedia-dramma su un uomo che è scivolato via dalla realtà dopo la morte della moglie e delle tre figlie nel 9/11. Il film è stato un flop al botteghino, guadagnando un incasso interno di 22,2 milioni di dollari. Cheadle ha poi recitato nel 2009 DreamWorks Pictures film Hotel for Dogs. Cheadle doveva fare il suo debutto alla regia con l’adattamento di Tishomingo Blues di Elmore Leonard, ma nel luglio 2007 ha dichiarato: “‘Tishomingo’ è morto…”
Cheadle è apparso negli spot della NFL per promuovere il Super Bowl dal 2002 al 2005. È apparso così regolarmente per la NFL nella sua pubblicità del Super Bowl che nel 2006, in una spinta a far sì che i fan presentassero le proprie idee pubblicitarie, la NFL ha cercato il suo permesso di fare riferimento ai suoi precedenti spot per ritrarsi come se non avesse nuove idee: “ha subito approvato l’idea e l’ha trovata divertente”. Abe Sutton (insieme a Etan Bednarsh), uno dei finalisti di questo concorso NFL, ha giocato su questo spot proponendo una pubblicità in cui ogni giocatore di una squadra di football è Don Cheadle.
Nel 2009, Cheadle e il creatore di Boondocks Aaron McGruder hanno lavorato su un potenziale show comico sulla NBC. Il “progetto ruota intorno a fratelli male assortiti che si riuniscono per aprire una società di sicurezza privata”. Cheadle e McGruder erano destinati a servire come produttori esecutivi, mentre McGruder avrebbe dovuto scrivere la sceneggiatura.
Anche nel 2009, Cheadle si è esibito in The People Speak, un film documentario che utilizza performance drammatiche e musicali delle lettere, diari e discorsi degli americani di tutti i giorni, basato su A People’s History of the United States dello storico Howard Zinn.
Nel 2010, Cheadle ha assunto il ruolo di War Machine / James Rhodes in Iron Man 2 (2010), sostituendo Terrence Howard. Cheadle ha ripreso questo ruolo in Iron Man 3 (2013), Avengers: Age of Ultron (2015), Captain America: Civil War (2016), Avengers: Infinity War (2018) e Avengers: Endgame (2019), The Falcon and the Winter Soldier (2021) e riprenderà il ruolo nella prossima serie Disney+ Armor Wars.
Dal 2012 al 2016, Cheadle ha recitato nella serie televisiva Showtime House of Lies. Nel 2013, ha vinto il Golden Globe come miglior attore in una serie comica per il suo ruolo nello show.
Cheadle ha passato dieci anni a scrivere e produrre il film Miles Ahead (2016) basato sulla vita del musicista jazz Miles Davis. Cheadle ha anche diretto e recitato nel film. Le location per il film sono state trovate a Cincinnati.
Nel 2018, Cheadle ha fatto da guest-star nel finale della prima stagione di DuckTales, fornendo la nuova casella vocale di Paperino. In seguito è stato di nuovo guest-star nel 2020 durante la stagione 3 dopo che un desiderio espresso da Paperino a Gene il Genio aveva alterato la realtà.