Su primera obra destacada fueron los ciclos de mosaico para la Basílica de San Pablo Extramuros, con historias del Antiguo y Nuevo Testamentos, entre 1277 y 1285. Fueron, sin embargo, destruidos en el incendio de 1823.
Su Juicio Final en la Basílica de Santa Cecilia en Trastevere en Roma, pintado hacia 1293 y considerada la obra maestra de Cavallini, demuestra un estilo artístico conocido como naturalismo romano. Este naturalismo influirá en la obra de artistas que trabajaron en otras ciudades italianas, como Florencia y Siena.
A partir de 1308 Cavallini trabajó en Nápoles en la corte del rey Carlos II de Anjou, en particular en las iglesias de San Domenico Maggiore de 1308 y Santa Maria Donnaregina de 1317, junto a su paisano romano Filippo Rusuti. Regresó a Roma antes de 1325, comenzando la decoración externa de la Basílica de San Pablo Extramuros en 1321, con una serie de mosaicos en estilo bizantino.
