Gleeson comenzó a actuar a los 8 años, en el Taller de Teatro Independiente. Sus primeros papeles fueron en películas como Reign of Fire (2002), Batman Begins (2005), Shrooms (2007) y A Shine of Rainbows (2009). En 2010, apareció en un papel principal en Todos los buenos hijos. El crítico de la revista Variety consideró a Gleeson «el gran descubrimiento de la película».

Gleeson protagonizó el papel de Joffrey Baratheon en la serie de HBO Juego de Tronos. Cita la interpretación de Joaquin Phoenix de Cómodo en Gladiator (2000) como una influencia en su actuación.

En 2012, Gleeson indicó su intención de retirarse de la actuación para dedicarse a una carrera académica una vez que terminara su trabajo en Juego de Tronos. En 2014, Gleeson se retiró de la actuación tras concluir su trabajo en Juego de Tronos. En una entrevista, declaró que aunque había estado interesado en dedicarse al mundo académico, desde entonces había «abandonado esa idea».

Durante la década de 2010, Gleeson fue miembro de la compañía de teatro Collapsing Horse, con sede en Dublín, de la que también fue fundador y productor. Formó parte del reparto original de la primera producción teatral de la compañía, Monster / Clock, un espectáculo de teatro infantil que se estrenó en Dublín en 2012. A continuación apareció en la comedia «lo-fi» de la compañía, Bears in Space, que se estrenó en Dublín en julio de 2014 y participó en el Festival Fringe de Edimburgo de 2014. El espectáculo recibió buenas críticas y tuvo producciones de reposición en Dublín y Londres en 2015 y fuera de Broadway en Nueva York en septiembre de 2016 como parte del primer festival de teatro irlandés de Origin. Collapsing Horse llegó a su fin en noviembre de 2019.

En 2019, Gleeson hizo dos apariciones públicas. En junio, apareció en el programa de comedia musical AMUSICAL en el festival de comedia Kilkenny Cat Laughs en Kilkenny, Irlanda, con las comediantes Eleanor Tiernan y Alison Spittle. En agosto, hizo una aparición sorpresa en el evento Over the Top Wrestling’s Trinity Brawl 2 en Dublín, donde interpretó la cara, acertadamente llamada ‘TV’s Jack Gleeson’, frente al luchador irlandés J Money.

En marzo de 2020, se anunció que Gleeson volvería a la televisión, habiendo sido elegido para un pequeño papel en la nueva serie de Sara Pascoe Out Of Her Mind.