Gleeson började spela skådespeleri vid 8 års ålder i Independent Theatre Workshop. Han fick sina första roller i filmer som Reign of Fire (2002), Batman Begins (2005), Shrooms (2007) och A Shine of Rainbows (2009). År 2010 hade han en huvudroll i All Good Children. Recensenten för tidningen Variety ansåg att Gleeson var ”the pic’s big discovery”.
Gleeson spelade huvudrollen som Joffrey Baratheon i HBO-serien Game of Thrones. Han nämner Joaquin Phoenix porträtt av Commodus i Gladiator (2000) som ett inflytande på sin prestation.
2012 uppgav Gleeson att han hade för avsikt att dra sig tillbaka från skådespeleriet för att ägna sig åt en akademisk karriär när hans arbete med Game of Thrones var avslutat. År 2014 drog sig Gleeson tillbaka från skådespeleriet efter att ha avslutat sitt arbete i Game of Thrones. I en intervju uppgav han att även om han tidigare hade varit intresserad av att fortsätta inom den akademiska världen hade han sedan dess ”gått ifrån den idén.”
Under hela 2010-talet var Gleeson medlem i det Dublinbaserade Collapsing Horse Theatre Company, som han också var en av grundarna och producenterna för. Han var en del av originalbesättningen i kompaniets första teaterproduktion Monster / Clock, en teaterföreställning för barn som hade premiär i Dublin 2012. Därefter medverkade han i kompaniets ”lo-fi-komedi” Bears in Space som hade premiär i Dublin i juli 2014 och deltog i Edinburgh Festival Fringe 2014. Föreställningen fick goda recensioner och hade revivalproduktioner i Dublin och London 2015 och off-Broadway i New York i september 2016 som en del av Origins första irländska teaterfestival. Collapsing Horse tog slut i november 2019.
Under 2019 gjorde Gleeson två offentliga framträdanden. I juni medverkade han i musikalkomediprogrammet AMUSICAL på komedifestivalen Kilkenny Cat Laughs i Kilkenny, Irland, tillsammans med komikerna Eleanor Tiernan och Alison Spittle. I augusti gjorde han ett överraskande framträdande på Over the Top Wrestling’s Trinity Brawl 2 event i Dublin där han spelade ansiktet, som passande nog kallades ”TV’s Jack Gleeson”, mittemot den irländska brottaren J Money.
I mars 2020 tillkännagavs att Gleeson skulle återvända till tv, efter att ha fått en liten roll i Sara Pascoes nya serie Out Of Her Mind.