Cheadle a devenit eligibil pentru cardul Screen Actors Guild (SAG) atunci când a apărut ca angajat al unui fast-food în comedia Moving Violations din 1985. În 1987, a primit un mic rol în sezonul 7, episodul 19 din Hill Street Blues, unde a jucat rolul unui adolescent cu dificultăți de învățare. Aceasta a fost urmată de o apariție în Hamburger Hill în același an; Cheadle a obținut rolul lui Jack în episodul „Jung and the Restless” din 1 aprilie 1988 din Night Court, intitulat „Jung and the Restless”. Deși personajul său avea 16 ani, Cheadle avea 23 de ani la acea vreme.
Cheadle a jucat apoi rolul lui Rocket în filmul Colors din 1988. În 1989, a apărut într-un videoclip pentru single-ul de succes nr. 2 al Angelei Winbush, „It’s the Real Thing”, executând mișcări de dans într-o salopetă portocalie, lucrând la o spălătorie auto. În 1990, a apărut într-un episod din The Fresh Prince of Bel-Air intitulat „Homeboy, Sweet Homeboy”, interpretându-l pe prietenul lui Will Smith și primul interes amoros al lui Hilary, Ice Tray. În 1992, a jucat un rol secundar în The Golden Girls spin-off The Golden Palace. Ulterior, Cheadle l-a interpretat pe procurorul districtual John Littleton în trei sezoane din Picket Fences.
Cheadle a fost remarcat pentru prima dată pentru interpretarea lui Mouse Alexander în filmul „Diavolul în rochie albastră”, pentru care a câștigat premiul pentru cel mai bun actor în rol secundar din partea Asociației criticilor de film din Los Angeles și a Societății Naționale a Criticilor de Film și a fost nominalizat pentru premii similare din partea Screen Actors Guild și a NAACP Image Awards. A urmat, la scurt timp după aceea, interpretarea sa în rolul principal din filmul TV HBO Rebound din 1996: The Legend of Earl „The Goat” Manigault (Legenda lui Earl „The Goat” Manigault). A jucat, de asemenea, în filmul Volcano din 1997, regizat de Mick Jackson. De asemenea, a jucat în Rush Hour 2, alături de Jackie Chan și Chris Tucker.
Creditele de televiziune ale lui Cheadle includ interpretări nominalizate la Emmy în filmele The Rat Pack, A Lesson Before Dying, Things Behind the Sun și într-o apariție ca invitat în ER. Ultima dintre acestea s-a întins pe durata a patru episoade în timpul celui de-al nouălea sezon al emisiunii, în care l-a interpretat pe Paul Nathan, un student la medicină care se luptă să facă față bolii Parkinson. A avut apariții în filme, printre care Rosewood, The Family Man, Boogie Nights, Out of Sight, Traffic și Ocean’s Eleven. Aceste ultime trei au fost regizate de Steven Soderbergh. A avut o apariție cameo în filmul Abby Singer. În 2005, Cheadle a fost nominalizat la Premiul Oscar pentru cel mai bun actor pentru interpretarea lui Paul Rusesabagina în filmul Hotel Rwanda. De asemenea, a jucat și a coprodus filmul Crash, care a câștigat premiul Oscar pentru cel mai bun film în 2006. Pentru interpretarea sa din Crash, Cheadle a fost nominalizat la premiile BAFTA și Screen Actors Guild pentru cel mai bun actor în rol secundar. A interpretat personajul principal în filmul Traitor.
În martie 2007, Cheadle a jucat alături de comediantul Adam Sandler în filmul lui Mike Binder, Reign Over Me, o comedie-dramă despre un bărbat care a scăpat de realitate după moartea soției și a celor trei fiice ale sale în 11 septembrie 2001. Filmul a fost un eșec de box office, având încasări interne de 22,2 milioane de dolari. Ulterior, Cheadle a jucat în 2009 în filmul DreamWorks Pictures „Hotel pentru câini”. Cheadle urma să debuteze ca regizor cu adaptarea romanului Tishomingo Blues de Elmore Leonard, dar în iulie 2007 a declarat: „‘Tishomingo’ este mort…”
Cheadle a apărut în reclame NFL de promovare a Super Bowl din 2002 până în 2005. A apărut atât de regulat pentru NFL în reclamele pentru Super Bowl încât, în 2006, în cadrul unei campanii pentru a-i determina pe fani să-și prezinte propriile idei publicitare, NFL i-a cerut permisiunea de a face referire la reclamele sale anterioare pentru a se prezenta ca neavând idei noi: „a aprobat rapid ideea și a găsit-o amuzantă”. Abe Sutton (împreună cu Etan Bednarsh), unul dintre finaliștii acestui concurs NFL, a jucat pe baza acestei reclame propunând o reclamă în care fiecare jucător dintr-o echipă de fotbal este Don Cheadle.
În 2009, Cheadle și creatorul Boondocks, Aaron McGruder, au lucrat la un potențial show de comedie pe NBC. „Proiectul se învârte în jurul unor frați nepotriviți care se reunesc pentru a deschide o companie de securitate privată”. Cheadle și McGruder urmau să fie producători executivi, în timp ce McGruder urma să scrie scenariul.
De asemenea, în 2009, Cheadle a jucat în The People Speak, un film documentar de lung metraj care folosește interpretări dramatice și muzicale ale scrisorilor, jurnalelor și discursurilor americanilor obișnuiți, bazat pe A People’s History of the United States a istoricului Howard Zinn.
În 2010, Cheadle a preluat rolul lui War Machine / James Rhodes în Iron Man 2 (2010), înlocuindu-l pe Terrence Howard. Cheadle a reluat acest rol în Iron Man 3 (2013), Avengers: Age of Ultron (2015), Captain America: Războiul civil (2016), Avengers: Războiul Infinitului (2018), și Răzbunătorii: Endgame (2019), The Falcon and the Winter Soldier (2021) și va relua acest rol în viitorul serial Disney+ Armor Wars.
Între 2012 și 2016, Cheadle a jucat în serialul TV Showtime House of Lies. În 2013, a câștigat Globul de Aur ca Cel mai bun actor într-un serial de comedie pentru rolul său din serial.
Cheleadle a petrecut zece ani scriind și producând filmul Miles Ahead (2016), bazat pe viața muzicianului de jazz Miles Davis. Cheadle a regizat și a jucat, de asemenea, în film. Locațiile pentru film au fost găsite în Cincinnati.
În 2018, Cheadle a jucat ca guest-star în finalul primului sezon din DuckTales, oferind noua cutie vocală a lui Donald Duck. Ulterior, el a jucat din nou ca invitat în 2020, în timpul sezonului 3, după ce o dorință pe care Donald i-a pus-o lui Gene Genie a alterat realitatea.
.