Gleeson začal hrát v osmi letech v nezávislé divadelní dílně. Jeho první role byly ve filmech jako Vláda ohně (2002), Batman začíná (2005), Houby (2007) a Duhový svit (2009). V roce 2010 se objevil v hlavní roli ve filmu Všechny dobré děti. Recenzent časopisu Variety považoval Gleesona za „velký objev snímku“.

Gleeson si zahrál roli Joffreyho Baratheona v seriálu HBO Hra o trůny. Jako vliv na svůj výkon uvádí ztvárnění Commoda Joaquinem Phoenixem ve filmu Gladiátor (2000).

V roce 2012 Gleeson naznačil záměr odejít do hereckého důchodu a věnovat se akademické kariéře, jakmile skončí jeho práce na seriálu Hra o trůny. V roce 2014 Gleeson po ukončení práce na seriálu Hra o trůny odešel do hereckého důchodu. V jednom z rozhovorů uvedl, že se sice dříve zajímal o akademickou dráhu, ale od té doby „od této myšlenky upustil“.

V průběhu roku 2010 byl Gleeson členem souboru dublinského divadla Collapsing Horse Theatre Company, jehož byl také zakladatelem a producentem. Byl součástí původního obsazení první divadelní inscenace této společnosti Monster / Clock, dětského divadelního představení, které mělo premiéru v Dublinu v roce 2012. Dále se objevil v „lo-fi komedii“ společnosti Bears in Space, která měla premiéru v Dublinu v červenci 2014 a v roce 2014 se zúčastnila Edinburgh Festival Fringe. Představení bylo dobře hodnoceno a v roce 2015 se dočkalo obnovených inscenací v Dublinu a Londýně a v září 2016 mimo Broadway v New Yorku v rámci 1. irského divadelního festivalu Origin. Collapsing Horse skončilo v listopadu 2019.

V roce 2019 Gleeson dvakrát veřejně vystoupil. V červnu vystoupil v hudebně-komediálním programu AMUSICAL na komediálním festivalu Kilkenny Cat Laughs v irském Kilkenny s komičkami Eleanor Tiernan a Alison Spittle. V srpnu se překvapivě objevil na akci Over the Top Wrestling’s Trinity Brawl 2 v Dublinu, kde hrál tvář, příznačně nazvanou „televizní Jack Gleeson“, po boku irského wrestlera J Moneyho.

V březnu 2020 bylo oznámeno, že se Gleeson vrátí do televize, protože byl obsazen do malé role v novém seriálu Sary Pascoe Out Of Her Mind.