Szülei Cserhalmi Gyula és Varga Magda (1922–2015) operaénekes. 1971-ben végzett a Színház- és Filmművészeti Főiskolán Békés András osztályában. 1971–72-ben, valamint 1975–1977 között a debreceni Csokonai Nemzeti Színház szerződtette. 1972–1975 között a Veszprémi Petőfi Színházban játszott. 1977–1979 között, valamint 1989–1991 között a Nemzeti Színház színésze volt. 1979–1983 között a Magyar Filmgyártó Vállalat művésze volt. 1983-ban a Budapesti Katona József Színház alapítója, és 1989-ig tagja is volt. 1991 óta szabadúszó. 1991–92-ben a Latabár Teátrum művészeti vezetője volt. 1994–1998 között az Új Színház tagja volt. 1999–2003 között a Radnóti Miklós Színház tagja volt. 2007-ben Zalaegerszegen rendezőként is bemutatkozott. Arthur Miller Pillantás a hídról című művét vitte színre. 2010-től Székesfehérvárott, a Vörösmarty Színházban játszik, 2014-ben Lear király cìmű darabban a főszerepet játszotta.

Több mint kétszáz filmben játszott, korunk egyik legjelentősebb férfiszínésze, modern hőstípus. Számos Oscar-díjra jelölt film szereplője. Szabó István Mephisto című műve meg is kapta a díjat. Sokat foglalkoztatják a cseh filmesek is. Szerepelt többek között Ondrej Trojan Želary című alkotásában. Ez a film 2004-ben szintén Oscar-jelölt volt.

Wim Wenders a 10 legjobb színész közé választotta be Cserhalmi Györgyöt.

2009-ben az európai parlamenti választáson a Lehet Más a Politika és a Humanista Párt által alakított listán a 20. helyen szerepelt.