Келли Карлсон родилась 17 февраля 1976 года в Миннеаполисе, штат Миннесота. С 17 лет она начала сниматься в рекламе и карьеру модели. В 19 лет переехала в Лос-Анджелес, где продолжала свою модельную карьеру.

Хотя она изучала актерское мастерство в течение многих лет, но вскоре Келли начала тренироваться с топ-тренером Ли Келтон Смит. Ее дебют в кино состоялся в криминальном боевике «3000 миль до Грейсленда» (2001) с Куртом Расселом и Кевином Костнером в главных ролях. Ее следующей работой стала роль в фильме Мела Гибсона «Папарацци» (2004).

В том же году Карлсон прекрасно исполнила роль в картине «Звездный десант 2: Герой федерации». Перед тем как приступить к сьемкам Келли проводила много времени в больницах, для того чтобы встретиться с ранеными военнослужащими, которые служили в Ираке и Афганистане.

Вскоре после этого она сыграла роль Кимбер Генри в драматическом телесериале «Части тела». Первоначально ее роль задумывалась как эпизодическая, но персонаж Карлсон оказался настолько популярным, что ее сделали постоянной.

В главной роли Карлсон дебютировала в фильме «Морской пехотинец» (2006), режиссером которого был ее бойфренд Джон Бонито. Также Келли снялась в комедии Пола Вейланда «Друг жены» (2008), совместно с Патриком Демпси, Мишель Монахэн и Кевином МакКиддом. Последнее роли Келли Карлсон являются эпизодичными, но она также постоянно играет в театральных спектаклях.

Огромную часть свободного от работы времени Келли Карлсон посвящает сотрудничеству с благотворительными фондами и организациями. Келли является представителем организации Smile Network, которая занимается гуманитарной деятельностью, включающей уход за здоровьем детей и подростков развивающихся стран. Ее хобби является верховая езда, которой она занимается с 7 лет. В январе 2010 года возглавила компанию против незаконной транспортировки лошадей из США в Мексику и Канаду на скотобойню.