Келли Энн МакГиллис родилась в Калифорнии в семье врача-терапевта Дональда Макгиллиса и домохозяйки Джоан. В детстве она бросила обычную школу и поступила в школу актерского мастерства Juilliard в Нью-Йорке, а позже — в Pacific Conservatory of Performing Arts в Санта-Монике.
МакГиллис дебютировала в кино в 1983 году в комедии «Рубен, Рубен». Зрители и критики отметили ее в драме Питера Уира «Свидетель», где актриса играла в паре с Харрисоном Фордом. За роль в этой картине она была номинирована на «Золотой глобус» и премию «БАФТА». С середины 90-х МакГиллис начала активно работать на телевидении. В 2004 году она начала театральную карьеру: сыграла на Бродвее миссис Робинсон в постановке «Выпускник».
В 1979-1981 годах Келли МакГиллис была замужем за Бойдом Блэком. В 1982 году актрису изнасиловали в собственном доме. Из-за этого она долгое время не могла подпускать к себе мужчин. В 1989 году она вышла замуж за Фреда Тилмана. В их браке родились дочери Кэлси и Сонор. Они расстались в 2002 году. В апреле 2009 года МакГиллис заявила, что она лесбиянка и живет в гражданском браке с подругой Мелани Лейс, с которой они познакомились еще в 2000 году (Лейс работала барменом в ресторане, принадлежавшем МакГиллис и ее второму мужу).
