1990-an

Peranan filem pertama Diesel ialah penampilan ringkas dalam filem drama Awakenings (1990). Beliau kemudiannya menulis, mengarahkan, menerbitkan, dan membintangi filem pendek drama Multi-Facial (1994), sebuah filem separa autobiografi yang mengikuti pelakon berbilang kaum bergelut terperangkap dalam proses uji bakat. Filem ini telah dipilih untuk ditayangkan di Festival Cannes 1995. Diesel membuat filem pertama, Strays (1997), sebuah drama bandar yang mana beliau memegang watak seorang pemimpin geng yang mana kasihnya untuk seorang wanita memberi inspirasi kepada beliau untuk cuba mengubah kelakuannya. Ditulis, diarah, dan dihasilkan oleh Diesel, filem itu telah dipilih untuk pertandingan pada Festival Sundance 1997, yang membawa kepada perjanjian MTV untuk mengubahnya menjadi satu siri. Beliau kemudiannya diperan dalam filem Saving Private Ryan arahan Steven Spielberg pada kepedihan persembahan dalam Multi-Facial. Pada tahun 1999, beliau memberikan suara watak dalam filem animasi The Iron Giant.

2000-an

Diesel mempunyai peranan utama dalam drama ngeri Boiler Room (2000). Beliau mendapat peranan utama kejayaan beliau sebagai anti-hero Riddick dalam filem sains fiksyen Pitch Black akhir tahun itu. Diesel mencapai kemasyhuran wira aksi dengan dua hit pecah panggung: Filem aksi permotoran The Fast and the Furious (2001), dan ngeri aksi xXx (2002). Pada tahun 2004, Diesel memegang semula peranannya sebagai Riddick dalam The Chronicles of Riddick, yang merupakan satu kegagalan pecah panggung memandangkan bajet yang besar. Beliau juga menyuarakan watak dalam dua permainan video spin-off. Pada tahun 2005, beliau memainkan peranan ringan dalam filem komedi The Pacifier, yang menjadi satu kejayaan pecah panggung.

Pada tahun 2006, beliau memilih peranan dramatik bermain samseng kehidupan sebenar, Jack DiNorscio dalam Find Me Guilty. Walaupun beliau menerima pujian kritis untuk persembahan beliau, filem itu berjaya di pecah panggung. Kemudian tahun itu, Diesel membuat penampilan khas dalam The Fast and the Furious: Tokyo Drift, membawakan semula peranannya daripada The Fast and the Furious.

Pada tahun 2007, Diesel telah menetapkan untuk menghasilkan dan berlakon sebagai Agent 47 dalam filem adaptasi permainan video Hitman, tetapi akhirnya ditarik balik dan berkhidmat sebagai penerbit eksekutif dalam filem sebaliknya. Pada tahun 2008, beliau membintangi filem aksi ngeri cereka sains Babylon A.D. Diesel kembali kepada kepada siri The Fast and the Furious, bersama semua pelakon daripada filem asal, dalam Fast & Furious, yang telah dilancarkan pada April 2009.

2010-an

Diesel membawakan semula peranannya sebagai Dominic Toretto di francais kelima, keenam dan ketujuh dalam The Fast and the Furious, Fast Five (2011), Fast & Furious 6 (2013) dan Furious 7 (2015). Beliau melakonkan semula peranannya sebagai Riddick dalam filem ketiga The Chronicles of Riddick, hanya bertajuk Riddick (2013). Pada bulan Ogos 2013, Diesel menerima bintang di Laluan Kemasyhuran Hollywood.[16] Beliau menyuarakan Groot dalam filem Marvel Cinematic Universe 2014 Guardians of the Galaxy.[17] Beliau membintangi filem aksi supernatural The Last Witch Hunter (2015).[18] Pada 2016, Diesel muncul sebagai watak sokongan dalam perang drama Ang Lee Billy Lynn's Long Halftime Walk. Pada tahun 2017, Diesel telah mengulangi peranan sebagai Xander Cage dalam xXx: Return Xander Cage, Dominic Toretto dalam Fast & Furious 8,[19][20] dan sebagai Groot di Guardians of the Galaxy Vol. 2.[21] Sepanjang beberapa tahun, Diesel telah membincangkan memegang dua peranan berasingan dalam Marvel Cinematic Universe.[22][23][24][25][26] Pada bulan November 2016 Pengarah Guardians of the Galaxy, James Gunn, mengesahkan bahawa Diesel telah mengadakan perbincangan untuk memegang watak Blackagar Boltagon/Black Bolt untuk filem Inhumans yang dirancang, tetapi tidak pasti sama ada Diesel akan kekal bersama projek itu memandangkan ia akan menjadi satu siri televisyen pula.[27] Beliau juga ditetapkan untuk muncul dalam versi terkini Kojak.[18]