Conocido por la interpretación de Dominic Toretto en la saga cinematográfica The Fast and the Furious y por el papel de Richard B. Riddick en la trilogía Las Crónicas de Riddick, es también productor de las secuelas de ambas franquicias.

Diesel ha protagonizado además películas como xXx y xXx: Return of Xander Cage (2002 y 2017); A Man Apart (2003); The Pacifier (2005); Find me Guilty (2006); y El último cazador de brujas (2015). Su trabajo también incluye la actuación de voz en off en las películas El gigante de hierro (1999), los videojuegos spin-offs de la franquicia Las crónicas de Riddick, y el superhéroe Groot en Guardianes de la Galaxia y otras películas del Universo Cinematográfico de Marvel. También escribió, dirigió, produjo y protagonizó los cortometrajes Multi-Facial (1995), Strays (1997) y Los chinneses (2004).

Diesel es el fundador de las empresas de producción cinematográfica One Race Films, Racetrack Records y la empresa de videojuegos Tigon Studios.

En 2020 realizó una colaboración junto a varios cantantes en el remix de la canción "Coronao Now" de El Alfa y Lil Pump.