Eugene Curran Kelly 1912. augusztus 23-án született Pittsburgh városában. Kisgyermekként kipróbálta az amerikai focit, a baseballt és a jéghokit is, de különösebb tehetséget nem mutatott, így maradt a tánc, ahol lányokkal is megismerkedhetett. Az egyetemen közgazdaságtant hallgatott, a tandíjat kőművessegédként, csaposként és táncórák adásával kereste meg. A nagy gazdasági világválság idején kapott diplomát, de állást nem, végül már árokásásból élt. Ekkoriban vált számára a tánc időtöltésből hivatássá, egyéni stílusát házuk alagsorában alakította ki.

New Yorkba költözött, a Broadwayn lett tánctanár. 1938-tól kisebb szerepeket is kapott, majd 1941-ben fergeteges sikert aratott a Cimboránk, Joey című musical főszerepében. A következő évben elindult filmes karrierje, szerződését a híres producerrel, David O. Selznickkel írta alá. A vásznon először Judy Garland partnereként tűnt fel a Nekem és a kedvesemnek című zenés darabban, ezután tizenöt évig maradt a Metro-Goldwyn-Mayer stúdiónál, ahol 27 filmet forgatott.

Bár az utókor elsősorban musicalszínészként és táncosként tartja számon, 1944-ben egy nyomasztó bűnügyi film (Karácsonyi vallomás) főszerepét alakította, másfél évtizeddel később az Aki szelet vet cinikus újságírójaként nyújtott emlékezeteset prózai szerepben. Közben eljátszotta D'Artagnan szerepét A három testőr című Dumas-regény feldolgozásában, és a kalandfilm akrobatikus jeleneteiben is megállta a helyét.

Az áttörést a Szépek szépe című musicalfilm hozta meg 1944-ben, a következő évben Oscar-díjra jelölték a legjobb férfi főszereplőként a Horgonyt fel! című musicalben. A film elkészítésekor koreográfusként szabad kezet kapott a táncjelenetekben, egy rajzfilmbetétben Jerry egérrel táncolt, Frank Sinatrával duettet énekelt. Könnyed játékmodora és férfias táncstílusa az 1940-1950-es évek legnépszerűbb filmes musicalsztárjává, egy nemzedék bálványává avatta. 1951-ben ő volt a főszereplője a műfajt forradalmasító Egy amerikai Párizsban című filmmusicalnek. A George Gershwin zenéjére készült filmben a végletekig mellőzték a beszédet, a táncjelenetek nem betétek, hanem a cselekmény elválaszthatatlan részei voltak, az alkotás csúcspontját egy Kelly által bemutatott, több mint negyedórás balett jelentette. A Vincente Minnelli rendezte film hat - köztük a legjobb filmért járó - Oscar-díjat nyert, Kelly pedig addigi pályájáért Oscar-életműdíjat vehetett át.

Egy évvel később készült az Ének az esőben, minden idők egyik, ha nem a legsikeresebb zenés filmje, amelyben a főszerep mellett a társrendezést is jegyezte. A Tánc-meghívás című filmjéért 1956-ban a Berlinalén Arany Medve-díjat vehetett át.

Az ötvenes évek közepétől a filmmusical műfajának kezdett bealkonyulni. A nézők átpártoltak a televízióhoz, Kelly filmjei egyre kevesebb bevételt hoztak, végül az MGM felbontotta szerződését. A továbbiakban dolgozott Európában is, több televíziós és független produkcióban szerepelt. Rendezőként is kipróbálta magát, ezen a téren legsikeresebb a Barbra Streisand főszereplésével készült, három Oscar-díjjal jutalmazott Hello Dolly (1969) lett. 1970-ben Henry Fondát és James Stewartot instruálta a kamera mögül a The Cheyenne Social Club című alkotásban. Narrátora volt az Ez a szórakoztatás című tévésorozatnak, amelynek egyik epizódjában Fred Astaire-rel ismét táncra perdült, duettjük sokakban ébresztett nosztalgiát a zenés film fénykora iránt. Utolsó musicaljében, a Xanaduban (1980) a fiatal Olivia Newton-John partnereként játszott. A tánctól a későbbiekben sem búcsúzott, s jóllehet többé nem lépett fel, 1993-ban Madonnának adott tanácsokat turnéja táncjeleneteihez.

Öt évtizedes pályafutása során több mint ötven filmben szerepelt. Férfias lendülettel előadott, sportos, atlétikus táncstílusában spontán mozdulatait klasszikus balettelemekkel kombinálta. Vadonatújat hozott az amerikai filmmusicalbe, ellenpontozva a divatos, könnyed, csillogó táncszámokat. A kor másik táncos férfisztárjától, Fred Astaire-től eltérően ő nem a táncteremben, frakkban-klakkban, hanem a "járda ördögeként", felgyűrt ingujjban táncolt.

Művészetét számtalan díjjal ismerték el: megkapta a francia Becsületrendet, a tiszteletbeli César-díjat, a National Medal of Arts amerikai művészeti díjat, az Amerikai Filmintézet és a Kennedy Center életműdíját, a televíziós Oscarnak nevezett Emmy-díjat, a Golden Globe-gálán átvehette a Cecil B. DeMille-díjat, csillaga ékesíti a Hollywoodi Hírességek sétányát. 1999-ben az Amerikai Filmintézet minden idők 15. legnagyobb férfi filmcsillagának választotta meg, s csaknem két évtizeddel halálát követően, 2014-ben beiktatták a sztepptánc hírességeinek csarnokába.

Az 1994-ben az Egyesült Államokban megrendezett labdarúgó-világbajnokság döntőjének előestéjén a három tenor - Plácido Domingo, José Carreras és Luciano Pavarotti - az ő tiszteletére énekelte el az Ének az esőben című számot Los Angelesben. Gene Kelly 1996. február 2-án Beverly Hills-i otthonában halt meg többszöri agyvérzést követően.