Cheadle tornou-se elegível para o seu cartão do Screen Actors Guild (SAG) quando ele apareceu como um empregado conjunto de hambúrgueres na comédia Moving Violations de 1985. Em 1987, ele recebeu um pequeno papel na temporada 7, episódio 19 de Hill Street Blues, onde interpretou um adolescente com dificuldades de aprendizagem. Seguiu-se uma aparição em Hamburger Hill no mesmo ano; Cheadle garantiu o papel de Jack no episódio “Jung and the Restless” de 1 de Abril de 1988, Night Court. Embora seu personagem tivesse 16 anos, Cheadle tinha 23 na época.
Cheadle então interpretou o papel de Rocket no filme Colors de 1988. Em 1989, ele apareceu em um vídeo para o single de sucesso “It’s the Real Thing”, de Angela Winbush, no número 2 de Angela Winbush, executando movimentos de dança em um macacão laranja, trabalhando em uma lavagem de carros. Em 1990, ele apareceu num episódio de The Fresh Prince of Bel-Air intitulado “Homeboy, Sweet Homeboy”, interpretando o amigo de Will Smith e o primeiro interesse amoroso de Hilary, Ice Tray. Em 1992, ele desempenhou um papel de apoio em The Golden Girls spin-off The Golden Palace. Cheadle posteriormente interpretou o promotor público John Littleton em três temporadas de Picket Fences.
Cheadle recebeu pela primeira vez uma ampla notícia por seu retrato de Mouse Alexander no filme Devil in a Blue Dress, pelo qual ganhou os prêmios de Melhor Ator Coadjuvante da Los Angeles Film Critics Association e da National Society of Film Critics e foi indicado para prêmios similares do Screen Actors Guild e do NAACP Image Awards. Logo em seguida, sua atuação no papel de título do filme de 1996 da HBO TV Rebound: A Lenda do Conde “A Cabra” Manigault. Ele também estrelou no filme Volcano, de 1997, dirigido por Mick Jackson. Ele também estrelou no filme Rush Hour 2, com Jackie Chan e Chris Tucker.
Cheadle’s television credits include Emmy-nominated performances nos filmes The Rat Pack, A Lesson Before Dying, Things Behind the Sun e em uma aparição convidada no ER. O último destes quatro episódios abrangeu a nona temporada do programa, no qual ele retratou Paul Nathan, um estudante de medicina lutando para lidar com a doença de Parkinson. Ele já apareceu em filmes como Rosewood, The Family Man, Boogie Nights, Out of Sight, Traffic, e Ocean’s Eleven. Estes últimos três foram dirigidos por Steven Soderbergh. Ele fez uma aparição de camafeu no filme Abby Singer. Em 2005, Cheadle foi indicado ao Oscar de Melhor Ator por seu retrato de Paul Rusesabagina no filme Hotel Rwanda. Ele também estrelou e co-produziu Crash, que ganhou o Oscar de Melhor Filme 2006. Por sua atuação em Crash, Cheadle foi indicado aos prêmios BAFTA e Screen Actors Guild para Melhor Ator Coadjuvante. Ele interpretou o personagem principal no filme Traitor.
Em março de 2007, Cheadle estrelou com o comediante Adam Sandler em Reign Over Me de Mike Binder, uma comédia-drama sobre um homem que se afastou da realidade após a morte de sua esposa e três filhas em 11 de setembro. O filme foi um fracasso de bilheteria, ganhando um valor bruto doméstico de 22,2 milhões de dólares. Cheadle mais tarde estrelou no filme DreamWorks Pictures Hotel for Dogs, de 2009. Cheadle deveria fazer sua estréia como diretor com a adaptação de Tishomingo Blues de Elmore Leonard, mas em julho de 2007 ele declarou: “‘Tishomingo’ está morto…”
Cheadle apareceu nos comerciais da NFL promovendo o Super Bowl de 2002 a 2005. Ele apareceu tão regularmente para a NFL em seus anúncios do Super Bowl que em 2006, em um esforço para conseguir que os fãs apresentassem suas próprias idéias publicitárias, a NFL procurou sua permissão para referenciar seus comerciais anteriores para se retratar como não tendo novas idéias: “ele rapidamente assinou a ideia e achou-a engraçada.” Abe Sutton (junto com Etan Bednarsh), um dos finalistas deste concurso da NFL, jogou neste comercial propondo um anúncio onde cada jogador de uma equipe de futebol é Don Cheadle.
Em 2009, o criador do Cheadle e do Boondocks, Aaron McGruder, trabalhou em um potencial programa de comédia na NBC. O “projeto gira em torno de irmãos desencontrados que se reúnem para abrir uma empresa de segurança privada”. Cheadle e McGruder foram programados para servir como produtores executivos, enquanto McGruder deveria escrever o roteiro.
Também em 2009, Cheadle se apresentou em The People Speak, um documentário de longa-metragem que usa performances dramáticas e musicais das cartas, diários e discursos dos americanos comuns, baseado no historiador Howard Zinn’s A People’s History of the United States.
Em 2010, Cheadle assumiu o papel de War Machine / James Rhodes in Iron Man 2 (2010), substituindo Terrence Howard. Cheadle repreendeu este papel no Homem de Ferro 3 (2013), Vingadores: Idade de Ultron (2015), Capitão América: Guerra Civil (2016), Vingadores: Guerra do Infinito (2018), e Vingadores: Endgame (2019), The Falcon and the Winter Soldier (2021) e ele irá repetir o papel na próxima série Disney+ Armor Wars.
De 2012 a 2016, Cheadle estrelou na série de TV Showtime House of Lies. Em 2013, ele ganhou o Globo de Ouro como Melhor Ator em uma Série de Comédia por seu papel no show.
Cheadle passou dez anos escrevendo e produzindo o filme Miles Aheadle (2016) baseado na vida do músico de jazz Miles Davis. Cheadle também dirigiu e estrelou no filme. Locais para o filme foram encontrados em Cincinnati.
Em 2018, Cheadle guest-starred no final da primeira temporada de DuckTales, fornecendo a nova caixa de voz de Donald Duck Duck. Mais tarde, ele voltou a adivinhar em 2020 durante a terceira temporada, após um desejo que Donald fez ao Gene, o Génio, ter alterado a realidade.