Gleyre var frå Chevilly i kantonenVaud. Foreldra hans døydde då han var åtte eller ni år gammal. Han vart oppseda av ein onkel i Lyon i Frankrike, som sende han til ein yrkesskule der i byen.
I slutten av tenåra reiste Gleyre til Paris, der han var i fire år og studerte kunst. Frå 1828 var han fire år i Italia i meditativ inaktivitet. Der vart han kjend med Horace Vernet og Louis-Leopold Robert. Dei neste seks åra deltok han som teiknar, illustratør på ei reise til mellom anna Malta, Hellas, Egypt, Nubia og Syria. I Libanon vart han svært febersjuk. Sidan vende han tilbake til Lyon med svekka helse.
Etter han avbraut turen til Orienten, kom Gleyre tilbake til Paris i 1838. Han etablerte eit lite atelier, og byrja varsamt å synleggjere ideane som sakte hadde forma seg i hugen hans. Gleyre møtte publikum då han i 1840 i stilte ut måleriet Johannes si openberring på øya Patmos. Måleriet var ein suksses, og praktisk talt opna hans kunstnariske livsveg. I 1843 kom hans andre suksess, måleriet Le Soir ('Kveld'). Motiv er frå Nilen, og viser ein poet, som frå elvebreidda «ser» sine ungdomsdraumar fare bort i form av ein båt. Biletet var seinare kalla for Tapte illusjonar.
Gleyre trakte seg meir eller mindre tilbake, og stilte sjeldan ut verk, siste gongen var i 1849. Han heldt fram med å måle religiøse, historiske og mytologiske bilete. I dei mytolgiske bileta knytte han saman romantisk stemning med eit strengt, antikt formspråk. Gleyre sine verk er elles prega av ein poetisk idealitet. I det heile var han ein idealist, som ikkje tok seg betalt for å undervise unge kunstnarar.
Han døydde brått i 1874 i Paris.
Verk
Trois Fellahs, 1835 (Musée cantonal des Beaux-Arts de Lausanne)