Gleeson begann mit der Schauspielerei im Alter von 8 Jahren, im Independent Theatre Workshop. Seine ersten Rollen hatte er in Filmen wie Reign of Fire (2002), Batman Begins (2005), Shrooms (2007) und A Shine of Rainbows (2009). Im Jahr 2010 spielte er eine Hauptrolle in All Good Children. Der Rezensent des Magazins Variety bezeichnete Gleeson als „die große Entdeckung des Films“.

Gleeson spielte die Rolle des Joffrey Baratheon in der HBO-Serie Game of Thrones. Er führt Joaquin Phoenix‘ Darstellung des Commodus in Gladiator (2000) als Einfluss auf seine Leistung an.

Im Jahr 2012 gab Gleeson an, dass er sich von der Schauspielerei zurückziehen wolle, um eine akademische Karriere zu verfolgen, sobald seine Arbeit an Game of Thrones beendet sei. 2014 zog sich Gleeson nach Beendigung seiner Arbeit an Game of Thrones von der Schauspielerei zurück. In einem Interview erklärte er, dass er früher an einer akademischen Laufbahn interessiert gewesen sei, diese Idee aber inzwischen aufgegeben habe.“

In den 2010er Jahren war Gleeson Mitglied der in Dublin ansässigen Collapsing Horse Theatre Company, die er auch mitbegründet und produziert hat. Er gehörte zur Originalbesetzung der ersten Theaterproduktion Monster / Clock, einer Kindertheateraufführung, die 2012 in Dublin uraufgeführt wurde. Als Nächstes trat er in der „Lo-Fi-Comedy“ Bears in Space auf, die im Juli 2014 in Dublin uraufgeführt wurde und am Edinburgh Festival Fringe 2014 teilnahm. Das Stück erhielt gute Kritiken und wurde 2015 in Dublin und London und im September 2016 in New York im Rahmen des ersten irischen Theaterfestivals Origin wiederaufgeführt. Collapsing Horse endete im November 2019.

Im Jahr 2019 hatte Gleeson zwei öffentliche Auftritte. Im Juni war er in dem Musical-Comedy-Programm AMUSICAL auf dem Kilkenny Cat Laughs Comedy Festival in Kilkenny, Irland, zusammen mit den Komikern Eleanor Tiernan und Alison Spittle zu sehen. Im August hatte er einen Überraschungsauftritt bei Over the Top Wrestling’s Trinity Brawl 2 Event in Dublin, wo er das Gesicht, treffend „TV’s Jack Gleeson“ genannt, gegenüber dem irischen Wrestler J Money spielte.

Im März 2020 wurde bekannt gegeben, dass Gleeson zum Fernsehen zurückkehren würde, nachdem er eine kleine Rolle in Sara Pascoe’s neuer Serie Out Of Her Mind bekommen hatte.