En 1912, il rencontre Jesse Lasky, un producteur de spectacles musicaux et ils créent ensemble la Jesse Lasky Feature Play Company, avant de s'associer avec Samuel Goldwyn et Arthur Friend pour faire du cinéma. Ils recherchent alors un emplacement pour créer un studio et sont les premiers à s'installer en Californie, à Hollywood.

Il réalise en 1914 son premier film, le Mari de l'Indienne (The Squawman), un western plein de sympathie pour les Indiens, dont il fera ensuite deux remakes Un cœur en exil (The Squawman, 1918) et The Squawman (1931). Son frère William rejoint alors le groupe, suivi par d’autres réalisateurs et « l'usine à rêves » de Hollywood se développe.

Tout en supervisant le travail de ses collaborateurs, il laisse libre cours à sa créativité. Ses premiers films sont des comédies comme Brewster's Millions (1914), Chimmie Fadden, (1915), Chimmie Fadden Out West (1915), The Dream Girl (1916), des westerns comme The Virginian (1914), l'Appel du Nord (The Call of The North, 1914), la Rose du ranch (Rose of the Rancho, 1914), The Girl of The Golden West (1914), The Warrens of Virginia (1915), des mélodrames d'aventures comme The Master Mind (1914), The Man of the Box (1914), What's his Name (1914), The Man from Home (1914), The Unafraid (1915), The Captive (1915), The Wild Goose Chase (1915), l'Arabe (The Arab, 1915), Kindling (1915), Maria Rosa (1915), Tentations (Temptation, 1915), The Golden Chase (1916), la Piste du pin solitaire (The Trail of the Lonesome Pine, 1915) et le Cœur de Nora Flynn (The Heart of Nora Flynn, 1915).

Il entreprend aussi des œuvres plus ambitieuses comme Carmen (1915), d'après Prosper Mérimée, et Forfaiture (The Cheat, 1916), un mélodrame très noir qui révèle l'acteur japonais Sessue Hayakawa, et Jeanne d'Arc (Joan The Woman, 1916).

Il dirige ensuite Mary Pickford dans un autre mélodrame, la Bête enchaînée (A Romance of Redwoods, 1917) et réalise un film de propagande anti-allemande, la Petite Américaine (The Little American, 1917). Il évoque aussi la guerre des Espagnols contre les Aztèques dans les Conquérants (The Woman God Forgot, 1917), réalise un western intitulé Nan Of Music Mountain (1917) et de nouveau des mélodrames traitant de problèmes moraux, souvent teintés de symbolisme sexuel : le Talisman (The Devil-Stone, 1917), le Rachat suprême (The Whispering Chorus, 1918), Old Wives For New (1918) et l'Illusion du bonheur (We Can't Have Everything, 1918).

Après un nouveau film de propagande contre l'Allemagne Till I Come Back to You (1918), il entame une collaboration féconde avec la comédienne Gloria Swanson. Ils tournent ensemble Après la pluie, le beau temps (Don't Change Your Wife, 1919), For Betters, For Worses (1919), l'Admirable Crichton (Male and Female, 1919), la Proie pour l'ombre (Why Change Your Wife, 1919), Something To Think About (1920), le Cœur nous trompe (The Affairs of Anatol, 1921) et Faut-il se l'avouer ? (Don't Tell Everything, 1921).

Après le Fruit défendu (Forbidden Fruit, 1921), le Paradis d'un fou (Fool's Paradise, 1922), le Détour (Saturday Night, 1921), le Réquisitoire (Manslaughter, 1922) et la Rançon d'un trône (Adam's Rib, 1923), il entame un cycle de superproductions colossales dont une première version des Dix Commandements (The Ten Commandments, 1923), l'Empreinte du passé (The Road to Yesterday, 1925), les Bateliers de la Volga (The Volga Boatman, 1926) et le Roi des rois (The King of Kings, 1927), tout en tournant plusieurs mélodrames comme Triomphe (Triumph, 1924), le Tourbillon des âmes (Feet of Clay, 1924), le Lit d'or (The Golden Bed, 1925), Chicago (1928) et les Damnés (The Goldless Girl, 1928).

Le passage du muet au parlant ne gêne guère DeMille, qui continue à se distinguer par son fastueux sens du spectacle. Il poursuit parallèlement ses réflexions sur des thèmes sociaux et moraux comme l'union libre, la barbarie, le christianisme, l'idéalisme américain et même la délinquance juvénile, comme dans Triomphe de la jeunesse (This Day and Age, 1933).

Porté sur la démesure, il donne une dimension grandiose à des mélodrames comme Dynamite (1929), Forgotten Commandments (1932) et Four Frightened People (1934), son seul échec commercial, et même à une comédie musicale comme Madame Satan (Madam Satan, 1930). Il se spécialise d’ailleurs assez vite dans la fresque historique à très grand spectacle, avec le Signe de la Croix (The Sign of The Cross, 1932), Cléopâtre (Cleopatra, 1934), les Croisades (The Crusadeers, 1935), les Flibustiers (The Buccaneer, 1937) et Land of Liberty (1939).

Il tourne aussi d'excellents westerns : Une aventure de Buffalo Bill (The Plainsman, 1936), avec Gary Cooper et Pacific-Express (Union-Pacific, 1939), avec Barbara Stanwyck.

Le Technicolor correspond parfaitement à son goût de l’épique et du grandiose et lui inspire, dans divers genres, de grands films populaires somptueusement mis en couleurs, comme les Tuniques écarlates (North West Mounted Police, 1940), les Naufragés des mers du Sud (Reap The Wild Wind, 1941), les Conquérants du Nouveau Monde (Unconquered, 1946) (dont Gary Cooper est encore la vedette après avoir participé à l'Odyssée du docteur Wassel (Story of Doctor Wassel, 1944), film de propagande anti-japonaise et contribution de DeMille à l’effort de guerre), Samson et Dalila (Samson and Delilah, 1949), Sous le plus grand chapiteau du Monde (The Greatest Show on Earth, 1953), et enfin sa deuxième version des Dix Commandements (The Ten Commandments, 1956).

Malade, il interrompt ses activités après le succès mondial des Dix Commandements. Il retournera néanmoins sur les plateaux pour superviser la mise en scène d’un remake en couleurs de ses Boucaniers (The Buccaneer, 1958), dont son gendre Anthony Quinn signe la mise en scène.

Souvent contesté pour ses positions politiques fort réactionnaires à l’époque du maccarthysme, DeMille est cependant reconnu par la plupart des historiens et des cinéastes comme un père fondateur de Hollywood, mais aussi comme un créateur de génie, dont les mises en scènes colossales témoignent aussi d’un sens subtil de l’émotion.

Extrêmement célèbre à son époque, il est l’un des rares metteurs en scène à avoir joué son propre rôle dans les films d’autres réalisateurs. On le voit ainsi dans Hollywood (1923) de James Cruze, Free and Easy (1930) de Edward Sedgwick, Au pays du rythme (Star-Spangled Rythm, 1942) et Hollywood en folie (Variety Girl, 1947) de George Marshall, Boulevard du crépuscule (Sunset Boulevard, 1950) de Billy Wilder, le Fils de Visage pâle (Son of Paleface, 1952) de Frank Tashlin et l'Homme qui n'a jamais ri (The Buster Keaton Story, 1956) de Sidney Sheldon.

Il a publié une autobiographie, The Autobiography of Cecil B. DeMille (1959).