Après avoir été diplômée de la Valley High School à Albuquerque, au Nouveau-Mexique, Kelly est retournée à Los Angeles. Alors qu’elle participait à un tournage d’essai pour une agence de mannequins, elle a été approchée par une ancienne Playmate de Playboy qui souhaitait la gérer, et qui a placé Kelly comme réceptionniste dans le cabinet d’un chirurgien qui fournirait à Kelly une augmentation mammaire en échange d’heures travaillées. Elle a finalement décidé de ne pas subir l’intervention, ce qui lui a valu d’être licenciée. Ce contact avec le domaine médical l’a incitée à suivre une formation d’un an pour devenir assistante de chirurgien ; elle a ensuite travaillé comme technicienne de bloc. Pendant les quatre années qu’elle a passées dans cette vocation, elle a continué à auditionner pour des rôles au cinéma et à la télévision.
En 2003, Kelly a fait ses débuts d’actrice en tant que figurante dans le court-métrage The Turbo Charged Prelude for 2 Fast 2 Furious, une introduction de six minutes au film d’action 2 Fast 2 Furious. Ce film a été suivi d’une apparition en tant qu’invitée spéciale dans l’émission Cracking Up. Elle est depuis apparue dans un certain nombre de séries télévisées telles que Entourage, Drake & Josh, et American Dreams. En 2005, Kelly a décroché un rôle récurrent de trois épisodes dans la série comique What I Like About You de The WB.
En avril 2006, Kelly a été choisie comme régulière dans la série dramatique Friday Night Lights de NBC. La série, basée sur le film de football lycéen du même nom, suit une équipe de football lycéenne dans la petite ville fictive de Dillon. Kelly a joué le rôle de la lycéenne et pom-pom girl Lyla Garrity. Pour se préparer à son rôle de pom-pom girl, elle s’est entraînée avec l’équipe de pom-pom girls du lycée de Pflugerville. La série a été diffusée pour la première fois le 3 octobre 2006. Kelly a reçu des éloges pour sa performance, le New York Times la qualifiant de « déchirante ». À la fin de la troisième saison de la série, Kelly a quitté la série alors que son personnage partait pour l’université.
En 2006, Kelly a joué dans le film d’horreur slasher The Pumpkin Karver dans le rôle de Tammy Boyles, et a eu un petit rôle dans State’s Evidence. En 2007, elle a retrouvé le créateur de Friday Night Lights, Peter Berg, dans le film The Kingdom dans un rôle camée de Mme Ross aux côtés de Jamie Foxx et Jennifer Garner. En 2009, elle est également apparue dans la scène finale du film 500 Days of Summer en tant que nouvel intérêt amoureux potentiel pour le personnage de Joseph Gordon-Levitt.
En août 2008, Kelly a été choisie comme protagoniste dans la série pilote Body Politic de The CW. Elle joue le rôle de Francesca « Frankie » Foster, qui déménage à Washington, D.C. pour travailler pour un sénateur et se lie d’amitié avec un groupe de jeunes gens enthousiastes. Malgré les éloges des critiques qui ont visionné le pilote, The CW n’a pas retenu la série. Kelly est également apparue dans le pilote d’une série comique éphémère de CBS, Mad Love, dans le rôle de Kate, une fille du Midwest qui tombe amoureuse de Henry au sommet de l’Empire State Building. Lorsque la série a été retenue, Kelly a été remplacée par Sarah Chalke.
En avril 2010, Kelly est apparue dans la série dramatique Parenthood de NBC. Elle a joué le rôle d’une aide comportementale pour le personnage de l’enfant Max qui est diagnostiqué avec le syndrome d’Asperger. Kelly a participé à neuf épisodes de la série avant de faire sa dernière apparition dans l’épisode « Taking the Leap », diffusé le 29 mars 2011. La même année, Kelly a été nommée « Femme la plus sexy du monde » dans le reportage annuel du magazine Esquire. Elle a accepté un rôle dans la pièce Off Broadway Love, Loss, and What I Wore pour une représentation du 27 au 29 avril 2011, avec Conchata Ferrell, AnnaLynne McCord, Anne Meara et B. Smith.
En décembre 2010, ABC a annoncé que Kelly était au casting du reboot prévu de la série dramatique policière Charlie’s Angels. Elle a joué le rôle de la coureuse de rue Eve French. Le pilote a été tourné en mars 2011 et la série a été choisie le 13 mai 2011. La première de Charlie’s Angels a eu lieu le 22 septembre 2011, devant plus de 8,76 millions de téléspectateurs. La série a reçu des critiques unanimement négatives de la part des critiques. Malgré les 13 épisodes prévus, ABC a annulé la série après la première du quatrième épisode en raison des faibles audiences. La série s’est terminée le 10 novembre 2011.
Kelly a joué dans le thriller The Roommate de 2011 dans le rôle d’une étudiante de première année dont la colocataire, représentée par Leighton Meester, a une obsession pour elle qui devient violente. Bien qu’il soit sorti avec des critiques généralement négatives, le film a fait plus de 15,6 millions de dollars lors de son week-end d’ouverture et plus de 40 millions de dollars dans le monde entier.
Variety a annoncé que Kelly avait le rôle principal dans la comédie mystérieuse Searching for Sonny. Le film suit deux amis réunis qui sont suspects dans un meurtre mystérieux qui est similaire à une pièce de théâtre dans laquelle ils ont joué pendant le lycée. La production a eu lieu en mai et juin 2010 à Fort Worth, au Texas. Le film a remporté le prix du « meilleur long métrage narratif » au Festival du film de Festivus.
Elle a participé à une tournée de huit jours dans quatre pays de United Service Organizations en décembre 2011 avec le président des chefs d’état-major interarmées, le général Martin Dempsey, Robert Horry, Jordin Sparks, Thomas Miles et le sergent-major Bryan Battaglia. En février 2012, elle a fait partie des célébrités qui ont défilé en robe rouge pour le spectacle The Heart Truth Red Dress Collection, dans le cadre de la Fashion Week de New York. Elle portait une robe Diane von Fürstenberg. En juin 2012, Kelly est apparue dans le clip de la chanson « One More Night » de Maroon 5. En 2013, Kelly est apparue dans le film The Butler dans le rôle de Jacqueline Kennedy Onassis.
En septembre 2017, il a été annoncé que Kelly avait été castée dans la série DC Universe Titans dans un rôle récurrent de Dawn Granger / Dove. La série a été lancée le 12 octobre 2018. Après la conclusion de la première saison, Kelly a été promue régulière de la série pour la deuxième saison en septembre 2019.
En mai 2018, Kelly est apparue dans le jeu vidéo Detroit : Become Human en tant que North, le bras droit et l’intérêt amoureux potentiel du protagoniste Markus.