Cheatle har mött alltfler avgångskrav efter att flera utredningar visat hur en skytt kunde komma nära Trump och skjuta mot honom från ett hustak på ett kampanjmöte den 13 juli.
Trump träffades i höger öra vid attentatet i Butler i Pennsylvania. En åhörare dödades och två skadades. Den 20-årige skytten, som avlossade sitt vapen från ett hustak på 135 meters avstånd och vars motiv ännu är oklart, sköts ihjäl av polis.
"Jag tar fullt ansvar för säkerhetsmissen. I ljuset av vad som skett, är det med tungt hjärta jag fattat det svåra beslutet att avgå som er chef", skriver hon i ett mejl till polisorganisationens anställda.
Största säkerhetsmissen
Cheatle grillades av representanthusets översynsutskott under måndagen. Hon erkände då att händelsen var den största säkerhetsmissen på decennier i Secret services historia. Samtidigt fortsatte hon hävda att hon var "rätt person" att leda Secret service.
Cheatle kunde inte svara på flera av kongressledamöternas frågor, bland annat om varför hustaket där skytten gömde sig inte var satt under bevakning.
"I dag har du inte kunnat svara på grundläggande frågor angående det häpnadsväckande misstaget och försäkra det amerikanska folket att Secret service lärt sig en läxa", skrev utredningsutskottets ordförande republikanen James Comer och demokraten Jamie Raskin i ett brev till Cheatle efter mötet, rapporterar NBC News.
"Återskapa förtroendet"
Båda krävde Cheatles avgång som ett första steg i arbetet att återskapa "kongressens och det amerikanska folkets förtroende" för organisationen.
Flera andra tunga kongressledamöter från både Demokraterna och Republikanerna har krävt hennes avgång, bland dem talmannen Mike Johnson och republikanernas gruppledare Steve Scalise.
En arbetsgrupp över partigränserna kommer att tillsättas i representanthuset för att utreda mordförsöket på Trump.
"Vi vet alla att det som hände den där dagen får aldrig hända igen. Medan vi blickar framåt, önskar jag Kim allt gott, och jag planerar att snart tillsätta en ny chef", kommenterar president Joe Biden i ett uttalande.
Fakta: De skyddar presidenten
Secret service är en federal myndighet som har i uppgift att skydda presidenten i USA och utreda ekonomiska brott som bedrägeri, identitetsstöld och förfalskning.
Organisationen har omkring 3 600 anställda som bevakar Vita huset, finansdepartementet och utländska beskickningar i Washington. Antalet anställda har skurits ner under de senaste åren, samtidigt som antalet skyddsobjekt och hoten ökat.
Förutom att skydda den nuvarande presidenten har Secret service också i uppgift att skydda vicepresidenten, den tillträdande presidenten, den tillträdande vicepresidenten, tidigare presidenter och deras familjer, presidentkandidater, världsledare på besök i USA och representanter för USA på särskilda uppdrag utomlands.
Efter attackerna den 11 september 2001 fick Secret service nya ansvarsområden, som att övervaka säkerheten vid icke-politiska händelser som kan utgöra mål för terrorister, till exempel Super Bowl.
Källor: CNN och NBC News