Po ukończeniu Valley High School w Albuquerque, Nowy Meksyk, Kelly wróciła do Los Angeles. Podczas gdy na sesji próbnej dla agencji modelingowej, zwróciła się do niej była Playboy Playmate, która była zainteresowana zarządzaniem nią, i która umieściła Kelly jako recepcjonistkę w biurze chirurga, który zapewniłby Kelly powiększanie piersi w zamian za przepracowane godziny. Ostatecznie nie zdecydowała się na zabieg, co doprowadziło do jej zwolnienia. To zetknięcie się z dziedziną medycyny skłoniło ją do uczęszczania przez rok do szkoły, aby zostać asystentką chirurga; następnie pracowała jako technik scrub. Podczas czterech lat, które spędziła w tym zawodzie, kontynuowała przesłuchania do ról filmowych i telewizyjnych.
W 2003 roku Kelly zadebiutowała jako statystka w filmie krótkometrażowym The Turbo Charged Prelude for 2 Fast 2 Furious, sześciominutowym wprowadzeniu do filmu akcji 2 Fast 2 Furious. Następnie wystąpiła jako gość specjalny w programie Cracking Up. Od tego czasu pojawiła się w wielu programach telewizyjnych, takich jak Entourage, Drake & Josh, i American Dreams. W 2005 roku, Kelly wylądował trzy odcinki powtarzającej się roli w serialu komediowym The WB Co lubię w tobie.
W kwietniu 2006 roku, Kelly została obsadzona jako seria regularna na NBC dramatycznej serii Friday Night Lights. Program, oparty na filmie futbolowym o tej samej nazwie, śledzi licealną drużynę futbolową w fikcyjnym małym miasteczku Dillon. Kelly wcieliła się w rolę uczennicy liceum i cheerleaderki Lyli Garrity. W ramach przygotowań do roli cheerleaderki trenowała z drużyną cheerleaderek z Pflugerville High School. Premiera serialu odbyła się 3 października 2006 roku, a Kelly otrzymała pochwałę za swój występ w The New York Times nazywając jej występ „łamaniem serca”. Pod koniec pokazu w trzecim sezonie Kelly opuścił serię, jak jej charakter opuścił do college.
W 2006 roku, Kelly wystąpił w horrorze slasher film The Pumpkin Karver jako Tammy Boyles, i miał bit rolę w State’s Evidence. W 2007 roku, ona ponownie połączyła się z twórcą Friday Night Lights Peter Berg w filmie Królestwo w roli cameo jako pani Ross obok Jamie Foxx i Jennifer Garner. W 2009 roku pojawiła się również w końcowej scenie filmu 500 Days of Summer jako potencjalne nowe zainteresowanie miłością do postaci Josepha Gordona-Levitta.
W sierpniu 2008 roku, Kelly została obsadzona jako główna bohaterka w serialu pilotażowym The CW Body Politic. Grała rolę Francesca „Frankie” Foster, który przenosi się do Waszyngtonu, D.C. do pracy dla senatora i zaprzyjaźnia się z grupą chętnych up-and-comers. Pomimo uznania krytyków, którzy obejrzeli pilot serialu, stacja The CW nie zdecydowała się na jego realizację. Kelly pojawiła się również w pilocie krótkometrażowego serialu komediowego CBS Mad Love, grając rolę Kate, dziewczyny z Midwestu, która zakochuje się w Henrym na szczycie Empire State Building. Kiedy seria została odebrana, Kelly została zastąpiona przez Sarah Chalke.
W kwietniu 2010 roku, Kelly pojawiła się na serialu dramatycznym NBC Parenthood. Grała rolę behawioralnego pomocnika do postaci dziecka Max, który jest zdiagnozowany z zespołem Aspergera. Kelly pojawiła się w dziewięciu odcinkach serialu przed ostatecznym pojawieniem się w odcinku „Taking the Leap”, który został wyemitowany 29 marca 2011 roku. W tym samym roku Kelly została uznana za „Najseksowniejszą kobietę wśród żywych” w corocznym wydaniu magazynu Esquire. Przyjęła rolę w sztuce Off Broadway Love, Loss, and What I Wore na 27-29 kwietnia, 2011, uruchomić z Conchata Ferrell, AnnaLynne McCord, Anne Meara i B. Smith.
W grudniu 2010 roku, ABC ogłosił, że Kelly został obsadzony w planowanym reboot dramatu kryminalnego serii Charlie’s Angels. Wcieliła się w rolę ulicznej wyścigówki Eve French. Pilot został nakręcony w marcu 2011 roku, a serial został przyjęty 13 maja 2011 roku. Premiera serialu miała miejsce 22 września 2011 roku i obejrzało ją ponad 8,76 miliona widzów. Serial otrzymał jednogłośnie negatywne recenzje od krytyków. Pomimo planowanych 13 odcinków, ABC anulowało serial po premierze czwartego odcinka z powodu niskiej oglądalności. Seria zakończyła się 10 listopada 2011 roku.
Kelly wystąpiła w thrillerze Współlokatorka z 2011 roku jako świeżo upieczona studentka college’u, której współlokatorka, przedstawiona przez Leighton Meester, ma obsesję na jej punkcie, która staje się brutalna. Chociaż wydany do ogólnie negatywnych recenzji, film poszedł na zrobić ponad 15,6 mln dolarów w weekend otwarcia i ponad 40 mln dolarów na całym świecie.
Variety ogłosił, że Kelly został obsadzony jako główny w tajemnicy filmu komediowego Searching for Sonny. Film śledzi dwóch ponownie połączonych przyjaciół, którzy są podejrzani w zagadce morderstwa, która jest podobna do sztuki, w której pojawili się podczas szkoły średniej. Produkcja odbyła się w maju i czerwcu 2010 roku w Fort Worth w Teksasie. Film zdobył nagrodę „Best Narrative Feature” na Festivus Film Festival.
Współuczestniczyła w ośmiodniowej, czterokrajowej trasie United Service Organizations w grudniu 2011 roku z przewodniczącym Joint Chiefs of Staff generałem Martinem Dempseyem, Robertem Horry, Jordin Sparks, Thomasem Milesem i starszym sierżantem Bryanem Battaglią. W lutym 2012 roku była jedną z gwiazd, które wystąpiły w czerwonych sukienkach na pokazie The Heart Truth Red Dress Collection, będącym częścią Nowojorskiego Tygodnia Mody. Miała na sobie sukienkę Diane von Fürstenberg. W czerwcu 2012 roku Kelly pojawiła się w teledysku do utworu „One More Night” zespołu Maroon 5. W 2013 roku Kelly pojawiła się w filmie The Butler jako Jacqueline Kennedy Onassis.
We wrześniu 2017 roku ogłoszono, że Kelly została obsadzona na serialu DC Universe Titans w powtarzającej się roli jako Dawn Granger / Dove. Premiera serialu odbyła się 12 października 2018 roku. Po zakończeniu pierwszego sezonu, Kelly została awansowana do regularnej serii na drugi sezon we wrześniu 2019 roku.
W maju 2018 roku Kelly pojawiła się w grze wideo Detroit: Become Human jako North, prawa ręka kobiety i potencjalne zainteresowanie miłosne protagonisty Markusa.
.