C'est à l'Olympique de Marseille qu'il fourni son palmarès avec six titres supplémentaires. En Ligue 1, il est champion de France 2010 et vice-champion à trois reprises lors des saisons 2008-2009, 2010-2011 et 2012-2013. Il remporte la Coupe de la Ligue à trois reprises consécutivement en 2010 (3-1 contre les Girondins de Bordeaux), en 2011 (1-0 contre le Montpellier Hérault Sport Club) et en 2012 (1-0 contre l'Olympique lyonnais). L'OM remporte le Trophée des champions 2010 mais Cheyrou ne joue pas le match. Cependant, il remporte Trophée des champions en 2011 (5-4 contre son ancien club du Lille OSC).