Budapesten született, operaénekes édesanyja révén már kisgyerekként a művészetek közelébe került. Az iskolában elsősorban a történelem és a költészet érdekelte, Arany János Toldija, Csokonai Vitéz Mihály versei ragadták meg. A Színház- és Filmművészeti Főiskola elvégzése után néhány évadot Debrecenben és Veszprémben, majd két évet a Nemzeti Színházban töltött. Egy interjúban színházi mesterének Latinovits Zoltánt és Őze Lajost nevezte. 1979-től a Mafilm színtársulatában dolgozott, 1983-ban a Székely Gábor és Zsámbéki Gábor irányításával induló, legendássá vált Katona József Színház társulatának lett alapító és meghatározó tagja. 1989-ben visszatért a Nemzetibe, a kilencvenes évek elején rövid ideig a Labdatér Teátrum művészeti vezetője volt. Féléves amerikai távollét után 1994-ben csatlakozott a Székely Gábor vezette, újonnan alakult Új Színházhoz, 1999-től négy éven át a Radnóti Színház, 2013 és 2018 között a székesfehérvári Vörösmarty Színház tagja volt.
Anyaszínházai mellett több helyen is színpadra lépett.
A debreceni Csokonai Színházban Móricz Zsigmond Úri muri című darabjának egyik főszerepét alakította, játszott a Szegedi Szabadtéri Játékokon Az ember tragédiájában, Friedrich Schiller Don Carlosában az Új Színházban és Székesfehérváron, a Thália Színházban Virág elvtársat alakította Bacsó Péter A tanú című kultuszfilmjének színpadi változatában. A Nemzeti Színház Oresztész-előadásában Meneláoszt, a Körhinta című legendás film színpadi változatában a főhősnő, Mari apját alakította. Csaknem kétszáz színházi bemutatója volt.
A legnagyobb klasszikus szerepeket játszhatta el, Shakespeare-, Molière- és orosz drámák főhőse volt, sokszor gondoltak rá magyar darabok színpadra állításakor is.
Mozgékony, robbanékony, nyugtalan és nyughatatlan alkat, szerepformálásaiban korunk zaklatottsága lüktet, a legtöbbször töprengő és gyötrődő, boldogtalan hősöket személyesített meg.
Több mint kétszáz filmet forgatott, egy időben állandó szereplője volt Jancsó Miklós filmjeinek. Dolgozott Szabó Istvánnal, Makk Károllyal, Sára Sándorral, Bacsó Péterrel, Mészáros Mártával, főszereplője volt a filmnyelvet megújító Bódy Gábor több művének (Agitátorok, Amerikai anzix, Nárcisz és Psyché), a rendező Győrben vele vitte színpadra a legendássá vált Hamletet. Játszott történelmi témájú alkotásokban is (80 huszár, Szirmok, virágok, koszorúk, A hídember, A temetetlen halott, Vadászat angolokra, Utolsó jelentés Annáról, Oda az igazság!).
Emlékezetes alakítást nyújtott a társadalmi kérdéseket boncolgató, András Ferenc rendezte Dögkeselyű című krimiben – amelynek a közelmúltban készült el digitálisan felújított változata –, a nemzedéke életérzését tükröző A nagy generációban, az Ottlik Géza kisregényéből forgatott Hajnali háztetőkben, a kultuszfilmmé vált Kontrollban, a 2003-ban Oscar-díjra jelölt Zelary című cseh háborús témájú alkotásban, a Márai Sándor regénye nyomán készült Eszter hagyatékában. Az ügynöktémát feldolgozó, Drága besúgott barátaim című filmjében Sára lánya rendezte. Szerepet kapott Kamondi Zoltán utolsó munkájában (Halj már meg!), s egyik főszereplője volt a Mundruczó Kornél rendezte Jupiter holdjának. Legutóbb a Fésős András rendezte Kelj fel és járj című alkotást forgatta.
Az egykor első osztályú vívó Cserhalmi soha nem vett igénybe kaszkadőrt, a hitelességre törekedve Az igazi Mikulás című filmhez alapfokon még zongorázni is megtanult.
1973-ban a Jankovics Marcell rendezte János vitézben az ő hangján szólalt meg a címszereplő. A tévében ő vezette a Múlt-kor című televíziós történelmi magazint.
Készített zenés lemezt (Básti Julival a Hallgass kicsit, Novák Péterrel Eklektikon címmel), a Férfi és nő című zenés műsorban Básti Juli, Udvaros Dorottya és Kulka János társaságában többször is fellépett Dés László és Bereményi Géza dalaival.
Színházi rendezőként Zalaegerszegen Arthur Miller Pillantás a hídról című drámáját és a Villa Negra című komédiát, Debrecenben a Boldogult úrfikoromban című darabot állította színpadra.
Székesfehérváron is rendezett: David Pownal Mesterkurzus című színművét és Reginald Rose bűnügyi játékát, a Tizenkét dühös embert (utóbbi új előadása a székesfehérvári Városházán lesz a jövő héten). Az elmúlt évben a Pesti Magyar Színházban az ő rendezésében mutatták be az Esterházy Péter művéből készült Tizenhét hattyúk című monodrámát. A Kaposvári Egyetemen osztályvezető tanáraként színészmesterséget oktatott. Ő jegyzi Szebeni András fotóművész Debrecenről szóló albumának kísérőszövegét.
Nemzedékének egyik legkarizmatikusabb színészegyénisége megkapta a Balázs Béla-díjat, az érdemes művész címet, 1990-ben Kossuth-díjjal tüntették ki.
Több alkalommal nyerte el a magyar filmszemlén a legjobb férfi alakítás díját és a filmkritikusok elismerését. 2003-ban az Európai Unió filmes életműdíjával tüntették ki. 2005-ben Prima díjat, 2013-ban a makói önkormányzat Páger Antal-színészdíját kapta meg. 2014-ben a Nemzet Színészének választották. 2019-ben Tolnay Klári-díjjal és Budapestért díjjal ismerték el. 2020-ban a Magyar Filmakadémia Egyesület, valamint a Magyar Filmkritikusok életműdíjával tüntették ki. 2021-ben elnyerte a Magyar Mozgókép Fesztivál díját a Rododendron című kisjátékfilm mellékszereplőjeként. Tavaly a Színikritikusok életműdíját, a Radnóti Miklós antirasszista díjat és a Hazám-díjat vehette át.
A Balaton-felvidéki Kékkúton élő színész az elmúlt években több komoly műtéten is átesett, így elmaradt színpadi visszatérése. Régóta vezeti naplóját, és rendszeresen megnyilvánul közéleti kérdésekben.
