Келли Ли Карлсон родилась в семье школьного футбольного тренера и парикмахерши 17 февраля 1976 года в американском городе Миннеаполисе. С 4 лет Келли занималась конным спортом и уже в школе мечтала стать актрисой.
После окончания учебы девушка поехала в Лос-Анджелес, где начала постигать актерское мастерство. Карьеру Келли начала как модель. Кареглазая блондинка покоряла своей красотой, глядя с обложек рекламных кампаний таких брендов, как «Miller Lite», «Rembrandt», «Oliver Peoples Sunglasses». Затем она начала выступать на театральных подмостках Америки, сыграв в постановках «Vanities, Cheaters», «Girls Guide to Chaos», «Паутина Шарлотты» и «Can’t Trust The Mate». В 21 год блондинка, благодаря маме, подстриглась «под Мэрилин Монро» и стала обладательницей короткой стрижки. Новый образ оказался весьма кстати, потому что вскоре Келли Карлсон начала покорять кинематограф.
В 25 лет Келли появилась в эпизоде ленты «3000 миль до Грейслэнд» (2001). Затем мелькала в небольших ролях в разных проектах. Пока в 2003-ем году ей не посчастливилось пройти кастинг в американский телесериал «Части тела» (2003 – 2010). Проект рассказывает о двух талантливых пластических хирургов, которые делают красивых женщин безупречными в собственной частной клинике в Майами. Келли появилась в пилоте проекта в образе жесткой и бескомпромиссной модели Кимбер Генри. Поначалу планировалось, что Келли будет играть в сериале лишь недолго. «Моя героиня была описана коротко: «26-летняя блондинка из Миннесоты». Смешно, что я как раз и была 26-летней блондинкой из Минессоты», – говорит Келли. Однако она так полюбилась и зрителям, и продюсерам, что героиню Карлсон включили в основной состав сериала. На протяжении нескольких лет Карслон вместе со своим персонажем переживала разные ипостаси – жены, матери, порнозвезды, предпринимателя и даже саентолога. «Части тела» полюбились не только зрителям, но и критикам, ежегодно удостаиваясь номинации на премию «Золотой глобус». Этот сериал сделал Келли Карлсон настоящей телезвездой. Она стала появляться на обложках модных журналов, входить в списки «самых сексуальных людей мира», обзавелась армией поклонников. Популярности ей прибавил также роман с игроком НХЛ Таем Доми.
Одновременно со съемками в сериале актриса успевала участвовать и в других проектах. В 2004-ом году она вошла в актерский состав фильма «Папарацци» (2004), посвященном раздражающим звезд фотографам-преследователям. В 2006-ом году она стала главной героиней боевика Майкла Нанкина «Взлом». Келли сыграла новоиспеченную супругу, которая отправляется вместе с мужем в свадебное путешествие на остров в Карибском море, где сталкивается сначала с грабителями, а затем и с надвигающимся ураганом. И в том же году появилась в роли похищенной красавицы-жены, за которую начинает борьбу супруг-мачо в боевике «Морской пехотинец» (2006).
Спустя три года после окончания «Частей тела» Келли наконец сыграла главную роль в фильме Марка Фрейбургера «Джимми» (2013). Эта психологическая драма рассказывает о 14-летнем аутисте Джимми Митчелле, который оказывается свидетелем одного преступления. Келли воплощает ведущего персонажа Элен Митчелл.
Одновременно с актерской карьерой телезвезда активно занимается благотворительностью: спасает детей и подростков, лошадей, а также посещает с гуманитарными миссиями «горячие точки», так, Келли была в Афганистане.
