Cheadle kwam in aanmerking voor zijn Screen Actors Guild (SAG)-kaart toen hij in 1985 verscheen als medewerker van een hamburgertent in de komedie Moving Violations. In 1987 kreeg hij een kleine rol in seizoen 7, aflevering 19 van Hill Street Blues, waar hij een tiener speelde met leermoeilijkheden. Dit werd gevolgd door een optreden in Hamburger Hill in hetzelfde jaar; Cheadle verzekerde zich van de rol van Jack in de 1 april 1988, “Jung and the Restless” aflevering van Night Court. Hoewel zijn karakter 16 jaar oud was, was Cheadle op dat moment 23.
Cheadle speelde vervolgens de rol van Rocket in de film Colors uit 1988. In 1989 verscheen hij in een video voor Angela Winbush’s nummer 2 hitsingle “It’s the Real Thing”, waarin hij danspasjes uitvoerde in een oranje jumpsuit, werkend bij een autowasstraat. In 1990 verscheen hij in een aflevering van The Fresh Prince of Bel-Air, getiteld “Homeboy, Sweet Homeboy”, waarin hij de vriend van Will Smith en Hilary’s eerste liefde Ice Tray speelde. In 1992 speelde hij een bijrol in The Golden Girls spin-off The Golden Palace. Cheadle speelde vervolgens districtsprocureur John Littleton in drie seizoenen van Picket Fences.
Cheadle kreeg voor het eerst veel aandacht voor zijn vertolking van Mouse Alexander in de film Devil in a Blue Dress, waarvoor hij prijzen won voor Beste Bijrol van de Los Angeles Film Critics Association en de National Society of Film Critics en genomineerd werd voor soortgelijke prijzen van de Screen Actors Guild en de NAACP Image Awards. Kort daarop volgde zijn optreden in de titelrol van de HBO TV-film Rebound uit 1996: The Legend of Earl “The Goat” Manigault. Hij speelde ook de hoofdrol in de film Volcano uit 1997, geregisseerd door Mick Jackson. Hij speelde ook in Rush Hour 2, met Jackie Chan en Chris Tucker.
Cheadle’s televisiecredits omvatten Emmy-genomineerde optredens in de films The Rat Pack, A Lesson Before Dying, Things Behind the Sun en in een gastrol in ER. De laatste daarvan besloeg vier afleveringen tijdens het negende seizoen van de show, waarin hij Paul Nathan vertolkte, een medisch student die worstelt met de ziekte van Parkinson. Hij speelde in films als Rosewood, The Family Man, Boogie Nights, Out of Sight, Traffic, en Ocean’s Eleven. Deze laatste drie werden geregisseerd door Steven Soderbergh. Hij maakte een cameo in de film Abby Singer. In 2005 werd Cheadle genomineerd voor de Academy Award voor Beste Acteur voor zijn vertolking van Paul Rusesabagina in de film Hotel Rwanda. Hij speelde ook de hoofdrol in en was medeproducent van Crash, die in 2006 de Academy Award voor Beste Film won. Voor zijn rol in Crash werd Cheadle genomineerd voor de BAFTA en de Screen Actors Guild Awards voor Beste Bijrol. Hij speelde de hoofdrol in de film Traitor.
In maart 2007 speelde Cheadle samen met komiek Adam Sandler in Mike Binder’s Reign Over Me, een komedie-drama over een man die is weggegleden uit de realiteit na de dood van zijn vrouw en drie dochters in 9/11. De film werd een flop met een binnenlands bruto van 22,2 miljoen dollar. Cheadle speelde later de hoofdrol in de DreamWorks Pictures-film Hotel for Dogs uit 2009. Cheadle zou zijn regiedebuut maken met de bewerking van Elmore Leonard’s Tishomingo Blues, maar in juli 2007 verklaarde hij: “‘Tishomingo’ is dood…”
Cheadle verscheen van 2002 tot 2005 in NFL-commercials ter promotie van de Super Bowl. Hij verscheen zo regelmatig voor de NFL in haar Super Bowl reclame dat in 2006, in een poging om fans hun eigen reclame-ideeën te laten indienen, de NFL zijn toestemming vroeg om te verwijzen naar zijn eerdere commercials om zichzelf af te schilderen als geen nieuwe ideeën te hebben: “hij tekende snel voor het idee en vond het grappig.” Abe Sutton (samen met Etan Bednarsh), een van de finalisten in deze NFL-wedstrijd, speelde in op deze commercial door een advertentie voor te stellen waarin elke speler in een footballteam Don Cheadle is.
In 2009 werkten Cheadle en Boondocks-bedenker Aaron McGruder aan een potentiële comedyshow op NBC. Het “project draait om ongelijkgestemde broers die zich herenigen om een particulier beveiligingsbedrijf te openen.” Cheadle en McGruder zouden als uitvoerende producenten fungeren, terwijl McGruder naar verwachting het script zou schrijven.
Ook in 2009 trad Cheadle op in The People Speak, een documentaire speelfilm die gebruik maakt van dramatische en muzikale uitvoeringen van de brieven, dagboeken en toespraken van alledaagse Amerikanen, gebaseerd op historicus Howard Zinn’s A People’s History of the United States.
In 2010 nam Cheadle de rol van War Machine / James Rhodes op zich in Iron Man 2 (2010), ter vervanging van Terrence Howard. Cheadle herhaalde deze rol in Iron Man 3 (2013), Avengers: Age of Ultron (2015), Captain America: Civil War (2016), Avengers: Infinity War (2018), en Avengers: Endgame (2019), The Falcon and the Winter Soldier (2021) en hij zal de rol hernemen in de aankomende Disney+-serie Armor Wars.
Van 2012 tot 2016 speelde Cheadle de hoofdrol in de Showtime tv-serie House of Lies. In 2013 won hij de Golden Globe als Beste Acteur in een Komedieserie voor zijn rol in de show.
Cheadle besteedde tien jaar aan het schrijven en produceren van de film Miles Ahead (2016), gebaseerd op het leven van jazzmuzikant Miles Davis. Cheadle regisseerde ook en speelde een hoofdrol in de film. Locaties voor de film werden gevonden in Cincinnati.
In 2018 speelde Cheadle een gastrol in de eerste-seizoensfinale van DuckTales, waarin hij de nieuwe stembus van Donald Duck verzorgde. Later was hij weer te gast in 2020 tijdens seizoen 3, nadat een wens van Donald aan Gene de Genie de werkelijkheid had veranderd.