Toda su obra conserva la huella rigurosa de su aprendizaje al lado de su padre, quien fuera dibujante técnico.
A partir de 1900 participa activamente en la vida artística parisina. Enseña su trabajo en exposiciones colectivas, se involucra en la creación de nuevos salones (Salón de Otoño, de Las Tullerías). Tras practicar una pintura de inspiración impresionista fue uno de los primeros artistas que se unieron bajo la bandera del cubismo. Se vincula con Paul Fort, Emile Verhaeren, Apollinaire. En 1911, junto con Robert Delaunay, Le Fauconnier, Léger, Metzinger, expone con los artistas del Salón de Los Independientes, que consagra el movimiento cubista. Gleizes conjuntamente con Jacques Villon, La Fresnaye y Metzinger, toma parte en las actividades del grupo de Puteaux. El lienzo que expone en el Armory Show de Nueva York en 1913 acarrea reacciones muy vivas por parte del público.
Movilizado poco después del inicio de la guerra, Gleizes se marcha a Estados Unidos en 1915. Durante este periodo americano Gleizes encuentra la fe o vuelve a encontrarla, lo que confiere un impulso religiosa definitivo a su obra. Vuelve a Francia al final de la guerra y se orienta hacia una pintura no figurativa. En 1927 crea las comunidades de Moly-Sabata (Sablons, Isère), comunidades religiosas, artesanales y artísticas.
En 1931 se afilia al movimiento Creación-Abstracción. Él ve en la abstracción la desmaterialización del pensamiento en busca de la espiritualidad más pura. Realiza varias pinturas murales e ilustra algunas obras literarias.
Gleizes nunca abandonó el cubismo en su larga trayectoria y fue uno de los teóricos más fecundos en torno a esta vanguardia.