Gleeson begyndte at spille skuespil i en alder af 8 år i Independent Theatre Workshop. Hans første roller var i film som Reign of Fire (2002), Batman Begins (2005), Shrooms (2007) og A Shine of Rainbows (2009). I 2010 optrådte han i en hovedrolle i All Good Children. Anmelderen for magasinet Variety anså Gleeson for at være “the pic’s big discovery”.

Gleeson spillede hovedrollen som Joffrey Baratheon i HBO-serien Game of Thrones. Han nævner Joaquin Phoenix’ portrættering af Commodus i Gladiator (2000) som en indflydelse på sin præstation.

I 2012 oplyste Gleeson, at han havde til hensigt at trække sig tilbage fra skuespillet for at forfølge en akademisk karriere, når hans arbejde med Game of Thrones var færdigt. I 2014 trak Gleeson sig tilbage fra skuespillet efter at have afsluttet sit arbejde i Game of Thrones. I et interview udtalte han, at selv om han tidligere havde været interesseret i at fortsætte som akademiker, var han siden “gået væk fra den idé.”

I hele 2010’erne var Gleeson medlem af det Dublin-baserede Collapsing Horse Theatre Company, som han også var medstifter og producer af. Han var en del af det oprindelige cast i kompagniets første teaterproduktion Monster / Clock, en børneteaterforestilling, som havde premiere i Dublin i 2012. Derefter medvirkede han i kompagniets “lo-fi-komedie” Bears in Space, som havde premiere i Dublin i juli 2014 og deltog i Edinburgh Festival Fringe i 2014. Forestillingen fik gode anmeldelser og fik revivalproduktioner i Dublin og London i 2015 og off-Broadway i New York i september 2016 som en del af Origin’s 1st Irish teaterfestival. Collapsing Horse sluttede i november 2019.

I 2019 havde Gleeson to offentlige optrædener. I juni var han med i musikalsk-komedieprogrammet AMUSICAL på komediefestivalen Kilkenny Cat Laughs i Kilkenny, Irland, sammen med komikerne Eleanor Tiernan og Alison Spittle. I august optrådte han overraskende ved Over the Top Wrestlings Trinity Brawl 2-begivenhed i Dublin, hvor han spillede ansigtet, passende kaldet “TV’s Jack Gleeson”, over for den irske wrestler J Money.

I marts 2020 blev det annonceret, at Gleeson ville vende tilbage til tv, efter at han var blevet castet i en lille rolle i Sara Pascoes nye serie Out Of Her Mind.