Thập niên 1990

Vai diễn điện ảnh đầu tiên của Diesel là một vai ngắn không được đề tên trong bộ phim Awakenings (1990). Sau đó anh viết kịch bản, đạo diễn, sản xuất và đóng vai chính trong phim ngắn Multi-Facial (1994), một bộ phim nửa tự truyện kể về một diễn viên đang vận lộn và gặp bế tắc trong quá trình thử vai. Phim được lựa chọn để trình chiếu trong Liên hoan phim Cannes năm 1995. Anh thực hiện phim dài chiếu rạp đầu tiên của mình, Strays (1997), một bộ phim chính kịch thành thị trong đó anh đóng vai kẻ cầm đầu của một băng đảng, và tình yêu của hắn dành cho một người phụ nữ đã khiến hắn quyết định thay đổi. Kịch bản, đạo diễn và sản xuất bởi Diesel, bộ phim được chọn tranh giải ở Liên hoan phim Sundance năm 1997 và giúp anh giành được một thoả thuận với hãng MTV chuyển thể nó thành một loạt phim. Anh cũng được chọn tham gia bộ phim giành giải Oscar năm 1998 của đạo diễn Steven Spielberg, Giải cứu binh nhì Ryan nhờ sự sâu sắc, thấm thía trong phần diễn của anh trong phim Multi-Facial. Năm 1999, anh nhận được sự đánh giá chuyên môn cao cho phần lồng tiếng nhân vật chính trong phim hoạt hình The Iron Giant.[17]

Thập niên 2000

Diesel có một vai diễn lớn trong bộ phim chính kịch về đề tài kinh doanh Boiler Room (2000),[17] và sau đó anh có một vai diễn mang tính bước ngoặt, đó là nhân vật phản anh hùng Riddick trong bộ phim khoa học viễn tưởng Pitch Black (2000).[17] Diesel tiếp tục toả sáng với vai diễn anh hùng thể loại hành động trong hai bom tấn: bộ phim hành động về đề tài đua xe đường phố The Fast and the Furious (2001), và phim hành động ly kỳ xXx (2002).[17] Năm 2004, Diesel một lần nữa thể hiện nhân vật Riddick trong phim The Chronicles of Riddick,[17] được coi là một thất bại về doanh thu phòng vé khi so sánh với kinh phí thực hiện khổng lồ của nó. Năm 2005, anh tham gia một vai diễn nhẹ nhàng vui vẻ trong phim hài The Pacifier, bộ phim rất thành công về doanh thu.[17]

Năm 2006, anh chọn một vai diễn đậm chất kịch, vào vai một tên cướp có thật tên là Jack DiNorscio trong phim Find Me Guilty.[17] Mặc dù anh nhận được phản hồi chuyên môn tích cực cho phần thể hiện của mình, bộ phim lại có một màn thể hiện không tốt tại các phòng vé.[17] Sau đó cùng năm, Diesel tham gia phim The Fast and the Furious: Tokyo Drift với vai trò khách mời, trong vai nhân vật cũ của anh từ phim The Fast and the Furious. Ban đầu anh được mời đóng vai chính trong 2 Fast 2 Furious, nhưng đã từ chối.[17] Anh cũng được mời tham gia phim xXx: State of the Union vẫn với vai diễn cũ trong xXx, nhưng anh cũng từ chối.

Năm 2007, Diesel được lên kế hoạch sẽ là nhà sản xuất và diễn viên chính với vai Agent 47 trong bộ phim chuyển thể từ trò chơi điện tử Hitman, nhưng cuối cùng anh đã từ chối và thay vào đó đảm nhiệm vai trò giám đốc sản xuất cho phim. Năm 2008, anh đảm nhiệm vai chính trong bộ phim hành động khoa học viễn tưởng Babylon A.D. Diesel trở lại với loạt phim The Fast and The Furious, cùng với tất cả các diễn viên đã tham gia bộ phim gốc đầu tiên, trong phần Fast & Furious 4, phát hành tháng 4 năm 2009.[17]

Thập niên 2010

Diesel trở lại với vai diễn Dominic Toretto trong bốn phần phim tiếp theo của loạt phim Fast & Furious, bao gồm Fast & Furious 5: Phi vụ Rio (2011), Fast & Furious 6 (2013), Fast & Furious 7 (2015) và Fast & Furious 8 (2017). Cùng với đó anh tiếp tục đảm nhiệm vai Riddick trong phần ba của loạt phim The Chronicles of Riddick mang tựa đề Riddick: Thống lĩnh bóng tối (2013). Vào tháng 8 năm 2013, Diesel được trao ngôi sao danh dự trên Đại lộ Danh vọng Hollywood.[18] Anh tham gia lồng tiếng cho nhân vật Groot trong phim điện ảnh Vệ binh dải Ngân Hà của Vũ trụ Điện ảnh Marvel công chiếu năm 2014.[19] Ngoài ra Diesel cũng góp mặt trong bộ phim hành động siêu nhiên Chiến binh săn phù thủy (2015) và bộ phim chiến tranh Billy Lynn's Long Halftime Walk (2016).

Năm 2017, Diesel trở lại với vai diễn Xander Cage trong xXx: Phản đòn, và vai diễn Groot trong Vệ binh dải Ngân Hà 2.[20] Trong vài năm, Diesel đã đàm phán để có thể đảm nhiệm hai vai diễn khác nhau thuộc Vũ trụ Điện ảnh Marvel.[21][22][23][24][25] Tháng 11 năm 2016 đạo diễn của Vệ binh dải Ngân Hà, James Gunn, đã xác nhận rằng Diesel đang trong quá trình thương thảo cho vai diễn Blackagar Boltagon / Black Bolt của bộ phim Inhumans đang được phát triển, nhưng bộ phim này sau đó lại được làm thành phim truyền hình và Diesel không tham gia dự án. Diesel sau đó vẫn tiếp tục trở lại lồng tiếng cho nhân vật Groot trong bộ phim Avengers: Cuộc chiến vô cực (2018).