Cheadle stał się uprawniony do swojej karty Screen Actors Guild (SAG), gdy pojawił się jako pracownik burger joint w komedii Moving Violations z 1985 roku. W 1987 roku, otrzymał małą rolę w sezonie 7, odcinek 19 Hill Street Blues, gdzie grał nastolatka z trudnościami w nauce. Następnie w tym samym roku pojawił się w Hamburger Hill; Cheadle otrzymał rolę Jacka w odcinku „Jung and the Restless” z 1 kwietnia 1988 roku w Night Court. Chociaż jego postać miała 16 lat, Cheadle miał 23 lata w tym czasie.
Cheadle następnie zagrał rolę Rocket w filmie Colors z 1988 roku. W 1989 roku pojawił się w teledysku do przebojowego singla Angeli Winbush nr 2 „It’s the Real Thing”, wykonując ruchy taneczne w pomarańczowym kombinezonie, pracując w myjni samochodowej. W 1990 roku pojawił się w odcinku serialu The Fresh Prince of Bel-Air zatytułowanym „Homeboy, Sweet Homeboy”, grając przyjaciela Willa Smitha i pierwsze zainteresowanie miłosne Hilary, Ice Tray. W 1992 roku zagrał drugoplanową rolę w spin-offie The Golden Girls – The Golden Palace. Cheadle następnie grał prokuratora okręgowego Johna Littletona w trzech sezonach Picket Fences.
Cheadle po raz pierwszy otrzymał powszechną uwagę na jego portret Mouse’a Alexandra w filmie Diabeł w niebieskiej sukience, za który zdobył nagrody dla najlepszego aktora drugoplanowego od Stowarzyszenia Krytyków Filmowych w Los Angeles i Narodowego Stowarzyszenia Krytyków Filmowych i był nominowany do podobnych nagród od Screen Actors Guild i NAACP Image Awards. Wkrótce potem wystąpił w tytułowej roli w filmie telewizyjnym HBO Rebound z 1996 roku: The Legend of Earl „The Goat” Manigault. Wystąpił także w filmie Volcano z 1997 roku, w reżyserii Micka Jacksona. Wystąpił również w filmie Rush Hour 2, u boku Jackie Chana i Chrisa Tuckera.
Koncerty telewizyjne Cheadle’a obejmują nominowane do nagrody Emmy występy w filmach The Rat Pack, A Lesson Before Dying, Things Behind the Sun oraz gościnny występ w ER. Ostatni z nich obejmował cztery odcinki w dziewiątym sezonie serialu, w którym zagrał Paula Nathana, studenta medycyny zmagającego się z chorobą Parkinsona. Wystąpił w takich filmach jak „Rosewood”, „Family Man”, „Boogie Nights”, „Poza zasięgiem wzroku”, „Traffic” i „Ocean’s Eleven”. Trzy ostatnie zostały wyreżyserowane przez Stevena Soderbergha. Pojawił się także w filmie Abby Singer. W 2005 roku Cheadle był nominowany do Oscara dla najlepszego aktora za rolę Paula Rusesabaginy w filmie Hotel Rwanda. Wystąpił również w filmie Crash, który w 2006 roku zdobył Oscara dla najlepszego filmu. Za rolę w filmie Crash Cheadle był nominowany do nagród BAFTA i Screen Actors Guild Awards dla najlepszego aktora drugoplanowego. Zagrał główną postać w filmie Traitor.
W marcu 2007 roku Cheadle wystąpił wraz z komikiem Adamem Sandlerem w filmie Reign Over Me Mike’a Bindera, komediodramacie o człowieku, który wymknął się z rzeczywistości po śmierci żony i trzech córek w 9/11. Film okazał się kasową klapą, zarabiając w kraju 22,2 miliona dolarów. Cheadle wystąpił później w filmie DreamWorks Pictures Hotel dla psów z 2009 roku. Cheadle miał zrobić swój debiut reżyserski z adaptacji Elmore Leonard’s Tishomingo Blues, ale w lipcu 2007 roku stwierdził, „’Tishomingo’ jest martwy …”
Cheadle pojawił się w reklamach NFL promujących Super Bowl od 2002 do 2005 roku. On tak regularnie pojawiał się dla NFL w jego reklamie Super Bowl, że w 2006 roku, w dążeniu do uzyskania fanów do składania własnych pomysłów reklamowych, NFL szukał jego zgody na odniesienie się do jego poprzednich reklam, aby przedstawić się jako posiadający żadnych nowych pomysłów: „szybko podpisał się pod tym pomysłem i uznał go za zabawny”. Abe Sutton (wraz z Etanem Bednarshem), jeden z finalistów tego konkursu NFL, grał na tej reklamie, proponując reklamę, w której każdy gracz w drużynie piłkarskiej jest Donem Cheadle.
W 2009 roku Cheadle i twórca Boondocks, Aaron McGruder, pracowali nad potencjalnym programem komediowym w NBC. Projekt „obraca się wokół niedopasowanych braci, którzy ponownie łączą się, aby otworzyć prywatną firmę ochroniarską.” Cheadle i McGruder mieli służyć jako producenci wykonawczy, podczas gdy McGruder miał napisać scenariusz.
Również w 2009 roku Cheadle wystąpił w The People Speak, fabularnym filmie dokumentalnym, który wykorzystuje dramatyczne i muzyczne występy listów, pamiętników i przemówień codziennych Amerykanów, w oparciu o historię Howarda Zinna A People’s History of the United States.
W 2010 roku Cheadle przyjął rolę War Machine / James Rhodes w Iron Man 2 (2010), zastępując Terrence’a Howarda. Cheadle powtórzył tę rolę w Iron Man 3 (2013), Avengers: Age of Ultron (2015), Kapitan Ameryka: Wojna domowa (2016), Avengers: Infinity War (2018), oraz Avengers: Endgame (2019), The Falcon and the Winter Soldier (2021) i ponownie wcieli się w tę rolę w nadchodzącym serialu Disney+ Armor Wars.
Od 2012 do 2016 roku Cheadle występował w serialu Showtime House of Lies. W 2013 roku zdobył Złoty Glob jako Najlepszy Aktor w Serialu Komediowym za rolę w serialu.
Cheadle spędził dziesięć lat na pisaniu i produkcji filmu Miles Ahead (2016) opartego na życiu muzyka jazzowego Milesa Davisa. Cheadle również wyreżyserował i wystąpił w filmie. Lokalizacje do filmu zostały znalezione w Cincinnati.
W 2018 roku Cheadle wystąpił gościnnie w finale pierwszego sezonu DuckTales, zapewniając nową skrzynkę głosową Kaczora Donalda. Później ponownie wystąpił gościnnie w 2020 roku podczas Sezonu 3 po tym, jak życzenie, które Donald złożył Genowi Dżinowi, zmieniło rzeczywistość.
.