Dopo essersi diplomata alla Valley High School di Albuquerque, New Mexico, Kelly tornò a Los Angeles. Durante un servizio di prova per un’agenzia di modelle, fu avvicinata da un ex Playboy Playmate che era interessato a gestirla, e che mise Kelly come receptionist nello studio di un chirurgo che avrebbe fornito a Kelly l’aumento del seno in cambio delle ore lavorate. Alla fine decise di non eseguire la procedura, il che la portò al licenziamento. Questa esposizione al campo medico la spinse a frequentare la scuola per un anno per diventare assistente di un chirurgo; in seguito, lavorò come tecnico di sala operatoria. Durante i quattro anni trascorsi in quella vocazione ha continuato a fare audizioni per ruoli cinematografici e televisivi.
Nel 2003, Kelly ha fatto il suo debutto come comparsa nel cortometraggio The Turbo Charged Prelude for 2 Fast 2 Furious, un’introduzione di sei minuti al film d’azione 2 Fast 2 Furious. Questo è stato seguito da un’apparizione speciale su Cracking Up. Da allora è apparsa in una serie di show televisivi come Entourage, Drake & Josh, e American Dreams. Nel 2005, Kelly ha ottenuto un ruolo ricorrente in tre episodi nella serie comica The WB What I Like About You.
Nell’aprile 2006, Kelly è stata scritturata come series regular nella serie drammatica Friday Night Lights della NBC. Lo show, basato sull’omonimo film sul football liceale, segue una squadra di football liceale nella cittadina fittizia di Dillon. Kelly ha interpretato il ruolo della studentessa di liceo e cheerleader Lyla Garrity. Per prepararsi al suo ruolo di cheerleader si è allenata con la squadra di cheerleader della Pflugerville High School. La serie ha debuttato il 3 ottobre 2006, con Kelly che ha ricevuto elogi per la sua performance con il New York Times che ha definito la sua performance “straziante”. Alla fine della terza stagione dello show Kelly ha lasciato la serie come il suo personaggio ha lasciato per il college.
Nel 2006, Kelly ha recitato nel film horror slasher The Pumpkin Karver come Tammy Boyles, e aveva un piccolo ruolo in State’s Evidence. Nel 2007, si è riunita con il creatore di Friday Night Lights Peter Berg nel film The Kingdom in un ruolo cameo come Ms. Ross accanto a Jamie Foxx e Jennifer Garner. Nel 2009, è apparsa anche nella scena finale del film 500 giorni d’estate come un potenziale nuovo interesse amoroso per il personaggio di Joseph Gordon-Levitt.
Nell’agosto 2008, Kelly è stata scritturata come protagonista nella serie pilota The CW Body Politic. Ha interpretato il ruolo di Francesca “Frankie” Foster, che si trasferisce a Washington, D.C. per lavorare per un senatore e fa amicizia con un gruppo di entusiasti up-and-comers. Nonostante il plauso dei critici che hanno visto l’episodio pilota, The CW non ha scelto la serie. Kelly è apparsa anche nell’episodio pilota della serie di breve durata Mad Love della CBS, interpretando il ruolo di Kate, una ragazza del Midwest che si innamora di Henry in cima all’Empire State Building. Quando la serie è stato scelto, Kelly è stato sostituito da Sarah Chalke.
Nell’aprile 2010, Kelly è apparso sulla serie drammatica NBC Parenthood. Ha interpretato il ruolo di un assistente comportamentale per il personaggio bambino Max che è diagnosticato con la sindrome di Asperger. Kelly ha continuato ad apparire in nove episodi dello show prima di fare la sua ultima apparizione nell’episodio “Taking the Leap” che è andato in onda il 29 marzo 2011. Nello stesso anno, Kelly è stata nominata “Sexiest Woman Alive” nella rubrica annuale della rivista Esquire. Ha accettato un ruolo nella commedia Off Broadway Love, Loss, and What I Wore per un aprile 27-29, 2011, eseguire con Conchata Ferrell, AnnaLynne McCord, Anne Meara e B. Smith.
Nel dicembre 2010, ABC ha annunciato che Kelly è stato lanciato nel reboot previsto della serie drammatica crimine Charlie’s Angels. Ha interpretato il ruolo della pilota di strada Eve French. Il pilota è stato girato nel marzo 2011 e la serie è stata scelta il 13 maggio 2011. Charlie’s Angels ha debuttato il 22 settembre 2011, con oltre 8,76 milioni di spettatori. La serie ha ricevuto recensioni unanimemente negative dalla critica. Nonostante i 13 episodi previsti, la ABC ha cancellato la serie dopo la prima del quarto episodio a causa dei bassi ascolti. La serie si è conclusa il 10 novembre 2011.
Kelly ha recitato nel thriller del 2011 The Roommate nel ruolo di una matricola del college la cui compagna di stanza, interpretata da Leighton Meester, ha un’ossessione per lei che diventa violenta. Sebbene sia uscito con recensioni generalmente negative, il film ha guadagnato oltre 15,6 milioni di dollari nel suo weekend di apertura e oltre 40 milioni di dollari in tutto il mondo.
Variety ha annunciato che Kelly è stata scritturata come protagonista del film commedia misteriosa Alla ricerca di Sonny. Il film segue due amici riuniti che sono sospettati in un mistero di omicidio che è simile a una commedia in cui sono apparsi durante il liceo. La produzione ha avuto luogo a maggio e giugno 2010 a Fort Worth, Texas. Il film ha vinto il premio “Best Narrative Feature” al Festivus Film Festival.
Si è unita a un tour di otto giorni e quattro paesi della United Service Organizations nel dicembre 2011 con il Presidente dei Capi di Stato Maggiore Martin Dempsey, Robert Horry, Jordin Sparks, Thomas Miles e il sergente maggiore Bryan Battaglia. Nel febbraio 2012, è stata una delle celebrità che hanno sfilato in abiti rossi per la sfilata The Heart Truth Red Dress Collection, parte della New York Fashion Week. Ha indossato un abito di Diane von Fürstenberg. Nel giugno 2012, Kelly è apparsa nel video musicale per “One More Night” dei Maroon 5. Nel 2013, Kelly è apparsa nel film The Butler come Jacqueline Kennedy Onassis.
Nel settembre 2017, è stato annunciato che Kelly è stata scritturata nella serie DC Universe Titans in un ruolo ricorrente come Dawn Granger / Dove. La serie ha debuttato il 12 ottobre 2018. Dopo la conclusione della prima stagione, Kelly è stata promossa a series regular per la seconda stagione nel settembre 2019.
Nel maggio 2018, Kelly è apparsa nel videogioco Detroit: Become Human nel ruolo di North, il braccio destro e potenziale interesse amoroso del protagonista Markus.
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