Bei der NBA-Draft 2015 wurde er an sechster Stelle von den Sacramento Kings ausgewählt. Cauley-Stein spielte eine überzeugende Debütsaison und kam auf 7,0 Punkte, 5,3 Rebounds und 1,0 Block pro Spiel, womit er in das NBA All-Rookie Second Team berufen wurde. Er bestritt in vier Jahren 295 Spiele für die Kalifornier, seine besten Punktwerte erreichte er in der Saison 2017/18 mit einem Durchschnitt von 12,8 je Begegnung. Im Sommer 2019 verließ er Sacramento und wechselte innerhalb Kaliforniens zu den Golden State Warriors.