Келли Макгиллис родилась 9 июля 1957 года в Ньюпорт-Бич, штат Калифорния в семье врача-терапевта Дональда Макгиллиса и домохозяйки Джоан. Для того, чтобы заняться актёрской карьерой, она бросила школу, однако в дальнейшем она обучалась в учебном заведении Juilliard в Нью-Йорке, а также изучала актёрское мастерство в Pacific Conservatory of Performing Arts в Санта-Монике.
В 1979 году она вышла замуж за Бойда Блэка (англ. Boyd Black), но через два года они развелись. В 1989 году Келли вышла замуж за Фреда Тилмана (англ. Fred Tillman). В этом браке она родила двоих дочерей — Келси и Сонору. Пара развелась в 2002 году. Сейчас Келли Макгиллис живёт гражданским браком со своей подругой Мелани Лейс (англ. Melanie Leis) в Коллингсвуде, Нью-Джерси.
В 1982 году на Келли Макгиллис напали и изнасиловали в её собственном доме. Этот опыт помог актрисе в будущем сыграть роль прокурора, поддерживающую героиню Джоди Фостер в фильме «Обвиняемые».
В апреле 2009 года в интервью ЛГБТ-сайту SheWired.com Келли Макгиллис призналась, что она лесбиянка. В 2010 году на церемонии в Коллингсвуде она вступила в гражданский брак с Мелани Лейс, с которой познакомилась в 2000 году, когда та работала барменом в принадлежавшем Келли и её второму мужу ресторане в Ки-Уэст, штат Флорида.
С самого начала карьера в кино для Келли Макгиллис складывалась удачно. Её первая роль в фильме «Рубен, Рубен» (1983) получила признание критиков, экспертов и зрителей, а картина была номинирована на премию «Оскар» в разных категориях. В дальнейшем актриса снималась во многих проектах, в том числе телевизионных.
В 1985 году она снялась в триллере «Свидетель» с Харрисоном Фордом. За эту роль она была была номинирована на «Золотой глобус».
Её следующей заметной ролью стала роль пилота-инструктора в фильме «Лучший стрелок» (1986) с Томом Крузом и Вэлом Килмером. После фильма «Обвиняемые» (1988) Макгиллис снялась в «Преследователе кошек» с Питером Уэллером, которого она ненавидела за то, что он отговаривал её продолжать актёрскую карьеру. В 1990-х годах Келли Макгиллис сыграла десятки ролей в кино и на телевидении, после чего на несколько лет отошла от работы, чтобы больше времени проводить в кругу семьи.
В 2004 году она вышла на театральную сцену на Бродвее, сыграв роль миссис Робинсон в постановке «Выпускник» (англ. The Graduate). С 2006 года она продолжила работать на телевидении, снявшись в пятом сезоне сериала «Секс в другом городе».