Domhnall Gleeson, né à Dublin, est le fils aîné de l'acteur Brendan Gleeson.
Il a reçu le diplôme de bachelor of arts degree dans les arts des médias au Dublin Institute of Technology.
En 2006, il commence sa carrière au cinéma avec Studs dans lequel il joue le premier rôle. Vers la fin 2007, Gleeson a joué Herbert Pocket dans Les Grandes Espérances de Charles Dickens, adapté par Hugh Leonard, au Gate Theatre à Dublin. Cette même année il est nommé aux Tony Awards du meilleur acteur (équivalant au théâtre des Oscars) pour la pièce The Lieutenant of Inishmore.
En 2009, sa carrière prend une direction internationale quand il obtient le rôle de Bill Weasley dans la saga Harry Potter. dans laquelle son père joue le rôle d'Alastor Maugrey "Fol'Œil" depuis le 4ème épisode. Cette année là, il joue également un petit rôle de Rodney dans le drame Never Let Me Go aux côtés de Carey Mulligan, Keira Knightley et Andrew Garfield ainsi que dans le True Grit des frères Coen.
En 2012, il retrouve Keira Knightley dans Anna Karenina, adapté du roman éponyme de Léon Tolstoï. Puis il jouera Connor, un terroriste de l'IRA dans le drame britannique Shadow Dancer présenté au Festival de Sundance.
L'année qui suit, il tient le rôle principal du film Il était temps de Richard Curtis avec à ses côtés Rachel McAdams. Il décroche également le premier rôle dans la comédie dramatique irlandaise Frank où il interprète Jon, un jeune musicien en manque d'inspiration, qui par un coup du hasard, va se retrouver à jouer dans un groupe de musique expérimentale Les Soronprfbs. Très vite alors, il deviendra totalement fasciné par son chanteur, le très étrange et mystérieux Frank interprété par Michael Fassbender. Il joue Ash dans un épisode de la saison 2 de la série anglaise Black Mirror.
En 2014, il tient le rôle du scientifique dans le film de science fiction Ex Machina, premier film de Alex Garland où il retrouve Alicia Vikander qui jouait son épouse dans Anna Karenine, joue le rôle du soldat Russell Allen Phillips dans Invincible d'Angelina Jolie avec Jack O'Connell et interprète Freddie Joyce dans le film irlandais Calvary dans lequel il partage l'affiche avec son père pour la 4ème fois.
En 2015, on le voit dans Star Wars, épisode VII : Le Réveil de la Force ainsi que dans The Revenant d'Alejandro González Iñárritu aux côtés de Leonardo DiCaprio.