Gleeson begon met acteren toen hij 8 jaar oud was, in de Independent Theatre Workshop. Zijn eerste rollen waren in films als Reign of Fire (2002), Batman Begins (2005), Shrooms (2007), en A Shine of Rainbows (2009). In 2010 was hij te zien in een hoofdrol in All Good Children. De recensent van het tijdschrift Variety beschouwde Gleeson als ‘de grote ontdekking van de film’.
Gleeson speelde de hoofdrol als Joffrey Baratheon in de HBO-serie Game of Thrones. Hij noemt Joaquin Phoenix’s vertolking van Commodus in Gladiator (2000) als invloed op zijn optreden.
In 2012 gaf Gleeson aan zich te willen terugtrekken uit het acteren om een academische carrière na te streven zodra zijn werk aan Game of Thrones was voltooid. In 2014 trok Gleeson zich terug uit het acteren na het beëindigen van zijn werk in Game of Thrones. In een interview verklaarde hij dat, hoewel hij eerder geïnteresseerd was geweest in het nastreven van de academische wereld, hij sindsdien ‘van dat idee was afgestapt.’
Tijdens de jaren 2010 was Gleeson lid van het gezelschap van de in Dublin gevestigde Collapsing Horse Theatre Company, waarvan hij ook een oprichter en producent was. Hij maakte deel uit van de oorspronkelijke cast in de eerste theaterproductie van het gezelschap Monster / Clock, een kindertheatershow die in 2012 in Dublin in première ging. Daarna was hij te zien in de ‘lo-fi komedie’ Bears in Space van het gezelschap, die in juli 2014 in Dublin in première ging en deelnam aan het Edinburgh Festival Fringe van 2014. De show werd goed beoordeeld en had revival producties in Dublin en Londen in 2015 en off-Broadway in New York in september 2016 als onderdeel van Origin’s 1e Ierse theaterfestival. Collapsing Horse kwam tot een einde in november 2019.
In 2019 maakte Gleeson twee publieke optredens. In juni was hij te zien in het musical-comedy programma AMUSICAL op het Kilkenny Cat Laughs comedy festival in Kilkenny, Ierland met comedians Eleanor Tiernan en Alison Spittle. In augustus maakte hij een verrassingsoptreden op Over the Top Wrestling’s Trinity Brawl 2 evenement in Dublin, waar hij het gezicht speelde, toepasselijk ‘TV’s Jack Gleeson,’ tegenover de Ierse worstelaar J Money.
In maart 2020 werd aangekondigd dat Gleeson zou terugkeren op televisie, na te zijn gecast in een kleine rol in Sara Pascoe’s nieuwe serie Out Of Her Mind.