Il suo primo ruolo professionale è stato come tassista di Haiti nel film del 2006 Crank. Nonostante abbia fatto l'audizione per il ruolo di Kaylo, i produttori gli hanno dato il ruolo di Efren Ramirez e subito gli hanno offerto un'apparizione come tassista di Haiti. Inizialmente era dubbioso per l'accento, ma si è esercitato con un suo amico di Haiti. Nel 2007, dopo aver fatto parte del cast di Lincoln Heights - Ritorno a casa e Veronica Mars, Gathegi ha recitato come Bodie in Death Sentence, Darudi in The Fifth Patient e Cheese in Gone Baby Gone. In seguito ha ottenuto il ruolo ricorrente del Dr. Jeffrey Cole in Dr. House - Medical Division, apparendo poi in CSI: Miami, CSI - Scena del crimine e Life on Mars nel 2008, prima di ottenere la parte di Laurent in Twilight. Quando Gathegi ha fatto l'audizione per il film - adattamento del libro di Stephenie Meyer, non aveva sentito parlare della serie e non sapeva che il suo personaggio fosse un vampiro.
Nel 2009 Gathegi è apparso nella parte di Deputy Martin nel film San Valentino di sangue 3D. Nel 2011 ha preso parte al film della Marvel Comics X-Men - L'inizio, di Matthew Vaughn, interpretando il ruolo di Darwin. A partire dal 2015 ha preso parte alla terza stagione della serie The Blacklist dove ha interpretato la parte del mercenario Matias Solomon; è stato annunciato che l'attore riprenderà a recitare il personaggio nello spin-off della serie, The Blacklist: Redemption che verrà cancellata dopo una sola stagione. Dal 2016 è poi co-protagonista nella serie televisiva StartUp interpretando il ruolo del gangster haitiano Ronald Dacey, mentre al cinema lo ritroviamo nel cast del film Il suo ultimo desiderio, diretto dal regista Dee Rees distribuiti entrambi da Netflix. Nel 2022 entra a far parte del cast di For All Mankind, serie di fantascienza originale di Apple TV+, dove interpreta il ruolo dell'ingegnere e imprenditore Dev Ayesa. Nel 2023 è individuato come interprete del supereroe Michael Holt / Mister Terrific per il film Superman, primo capitolo del nuovo universo cinematografico DC,[1] previsto per il luglio 2025.
