Gleeson aloitti näyttelemisen 8-vuotiaana Independent Theatre Workshopissa. Hänen ensimmäiset roolinsa olivat elokuvissa Reign of Fire (2002), Batman Begins (2005), Shrooms (2007) ja A Shine of Rainbows (2009). Vuonna 2010 hän esiintyi pääroolissa elokuvassa All Good Children. Variety-lehden arvostelija piti Gleesonia ”picin suurena löytönä”.
Gleeson näytteli Joffrey Baratheonia HBO:n Game of Thrones -sarjassa. Hän mainitsee Joaquin Phoenixin Commoduksen esittämisen Gladiaattorissa (2000) vaikuttaneen hänen suoritukseensa.
Vuonna 2012 Gleeson ilmoitti aikovansa jäädä eläkkeelle näyttelemisestä akateemisen uran vuoksi, kunhan hänen työnsä Game of Thronesissa olisi päättynyt. Vuonna 2014 Gleeson vetäytyi näyttelemisestä lopetettuaan työnsä Game of Thronesissa. Haastattelussa hän totesi, että vaikka hän oli aiemmin ollut kiinnostunut akateemisen uran harjoittamisesta, hän oli sittemmin ”luopunut siitä ajatuksesta.”
Kautta 2010-luvun Gleeson kuului Dublinissa toimivan Collapsing Horse Theatre Companyn seurueeseen, jonka perustaja ja tuottaja hän myös oli. Hän kuului alkuperäiseen näyttelijäkaartiin yhtiön ensimmäisessä teatterituotannossa Monster / Clock, lasten teatteriesityksessä, joka sai ensi-iltansa Dublinissa vuonna 2012. Seuraavaksi hän esiintyi yhtiön ”lo-fi-komediassa” Bears in Space, joka sai ensi-iltansa Dublinissa heinäkuussa 2014 ja osallistui vuoden 2014 Edinburghin Fringe-festivaaleille. Esitys sai hyvät arvostelut, ja siitä tehtiin uusintaesitykset Dublinissa ja Lontoossa vuonna 2015 ja off-Broadway New Yorkissa syyskuussa 2016 osana Originin ensimmäistä irlantilaista teatterifestivaalia. Collapsing Horse päättyi marraskuussa 2019.
Vuonna 2019 Gleeson teki kaksi julkista esiintymistä. Kesäkuussa hän esiintyi musikaali-komediaohjelmassa AMUSICAL Kilkenny Cat Laughs -komediafestivaalilla Kilkennyssä, Irlannissa koomikkojen Eleanor Tiernan ja Alison Spittle kanssa. Elokuussa hän esiintyi yllätysesiintymisenä Over the Top Wrestlingin Trinity Brawl 2 -tapahtumassa Dublinissa, jossa hän näytteli kasvot, osuvasti ”TV:n Jack Gleeson”, irlantilaista painijaa J Moneyta vastapäätä.
Maaliskuussa 2020 ilmoitettiin, että Gleeson palaisi televisioon, sillä hän oli saanut pienen roolin Sara Pascoen uudessa Out Of Her Mind -sarjassa.