Cheadle blev berättigad till sitt SAG-kort (Screen Actors Guild) när han spelade en anställd på en hamburgerrestaurang i komedin Moving Violations från 1985. År 1987 fick han en liten roll i säsong 7, avsnitt 19 av Hill Street Blues, där han spelade en tonåring med inlärningssvårigheter. Detta följdes av ett framträdande i Hamburger Hill samma år; Cheadle säkrade rollen som Jack i avsnittet ”Jung and the Restless” av Night Court den 1 april 1988. Även om hans karaktär var 16 år gammal var Cheadle 23 år vid den tidpunkten.
Cheadle spelade sedan rollen som Rocket i filmen Colors från 1988. År 1989 medverkade han i en video till Angela Winbushs nummer 2-hitsingel ”It’s the Real Thing”, där han utförde dansrörelser i en orange jumpsuit och arbetade på en biltvätt. 1990 medverkade han i ett avsnitt av The Fresh Prince of Bel-Air med titeln ”Homeboy, Sweet Homeboy”, där han spelade Will Smiths vän och Hilarys första kärleksintresse, Ice Tray. År 1992 spelade han en biroll i The Golden Girls spin-off The Golden Palace. Cheadle spelade därefter distriktsåklagare John Littleton i tre säsonger av Picket Fences.
Cheadle fick först stor uppmärksamhet för sin roll som Mouse Alexander i filmen Djävulen i en blå klänning, för vilken han vann utmärkelser som bästa birollsskådespelare från Los Angeles Film Critics Association och National Society of Film Critics och nominerades till liknande utmärkelser från Screen Actors Guild och NAACP Image Awards. Kort därefter följde hans roll i titelrollen i HBO:s TV-film Rebound från 1996: The Legend of Earl ”The Goat” Manigault. Han spelade också en huvudroll i filmen Volcano från 1997, regisserad av Mick Jackson. Han var också med i Rush Hour 2, med Jackie Chan och Chris Tucker.
Cheadle har även medverkat i Emmy-nominerade roller i filmerna The Rat Pack, A Lesson Before Dying, Things Behind the Sun och i ett gästspel i ER. Det sista av dessa sträckte sig över fyra avsnitt under seriens nionde säsong, där han porträtterade Paul Nathan, en läkarstudent som kämpar med Parkinsons sjukdom. Han har medverkat i filmer som Rosewood, The Family Man, Boogie Nights, Out of Sight, Traffic och Ocean’s Eleven. De tre sistnämnda filmerna har regisserats av Steven Soderbergh. Han gjorde en cameo i filmen Abby Singer. År 2005 nominerades Cheadle till en Oscar för bästa skådespelare för sin roll som Paul Rusesabagina i filmen Hotel Rwanda. Han spelade också huvudrollen i och var med och producerade Crash, som vann 2006 års Oscar för bästa film. För sin insats i Crash nominerades Cheadle till BAFTA- och Screen Actors Guild Awards för bästa biroll. Han spelade huvudpersonen i filmen Traitor.
I mars 2007 spelade Cheadle tillsammans med komikern Adam Sandler huvudrollen i Mike Binders Reign Over Me, ett komediedrama om en man som har glidit bort från verkligheten efter att hans fru och tre döttrar dog i samband med den 11 september 2001. Filmen blev en kassaflop och fick en inhemsk bruttointäkt på 22,2 miljoner dollar. Cheadle spelade senare huvudrollen i DreamWorks Pictures film Hotel for Dogs från 2009. Cheadle skulle göra sin regidebut med anpassningen av Elmore Leonards Tishomingo Blues, men i juli 2007 förklarade han: ”’Tishomingo’ är död…”
Cheadle medverkade i NFL-reklamfilmer som marknadsförde Super Bowl från 2002 till 2005. Han uppträdde så regelbundet för NFL:s räkning i dess Super Bowl-reklam att NFL 2006, i en kampanj för att få fansen att lämna in egna reklamidéer, sökte hans tillåtelse att referera till hans tidigare reklamfilmer för att framställa sig själva som om de inte hade några nya idéer: ”Han godkände snabbt idén och tyckte att den var rolig”. Abe Sutton (tillsammans med Etan Bednarsh), en av finalisterna i denna NFL-tävling, spelade på denna reklam genom att föreslå en annons där varje spelare i ett fotbollslag är Don Cheadle.
År 2009 arbetade Cheadle och Boondocks-skaparen Aaron McGruder på en potentiell komediserie på NBC. ”Projektet kretsar kring missanpassade bröder som återförenas för att öppna ett privat säkerhetsföretag”. Cheadle och McGruder skulle fungera som exekutiva producenter, medan McGruder förväntades skriva manuset.
Också 2009 medverkade Cheadle i The People Speak, en dokumentärfilm som använder dramatiska och musikaliska framträdanden av vanliga amerikaners brev, dagböcker och tal, baserat på historikern Howard Zinns A People’s History of the United States.
Under 2010 tog Cheadle på sig rollen som War Machine/James Rhodes i Iron Man 2 (2010) och ersatte Terrence Howard. Cheadle återupptog denna roll i Iron Man 3 (2013), Avengers: Age of Ultron (2015), Captain America: Civil War (2016), Avengers: Infinity War (2018) och Avengers: Endgame (2019), The Falcon and the Winter Soldier (2021) och han kommer att återuppta rollen i den kommande Disney+-serien Armor Wars.
Från 2012 till 2016 medverkade Cheadle i TV-serien House of Lies på Showtime. År 2013 vann han Golden Globe som bästa skådespelare i en komediserie för sin roll i serien.
Cheadle tillbringade tio år med att skriva och producera filmen Miles Ahead (2016) baserad på jazzmusikern Miles Davis liv. Cheadle regisserade och spelade även huvudrollen i filmen. Platser för filmen hittades i Cincinnati.
Under 2018 gästspelade Cheadle i finalen av första säsongen av DuckTales, där han tillhandahöll Kalle Ankas nya röstbox. Han gästspelade senare igen 2020 under säsong 3 efter att en önskan som Donald gjorde till Genie Gene hade förändrat verkligheten.