Dopo aver messo in ordine L'appartamento spagnolo, Kelly Reilly perde la testa per l'ex coinquilino Romain Duris nel sequel Bambole russe, danzando per il direttore artistico Bob Hoskins in Lady Henderson presenta. Di umili origini, Kelly cresce nella working class di Chessington, quartiere situato nell'area metropolitana di Londra.
Figlia di un agente di polizia e di una segretaria part-time, presso il Kingston Hospital, l'attrice ha un fratello - Neil Reilly - golfista di professione.

La carriera al cinema
Frequenta la Tolworth girl's school, interessandosi ben presto alla recitazione. Conseguito il diploma, debutta nella miniserie tv Prime Suspect: Inner Circles, al fianco dell'investigatrice Helen Mirren, con la quale tornerà a dividere il set nel dramma esistenziale L'ultimo bicchiere. Nel 2004, l'attrice offre ospitalità al conte di Rochester, Johnny Depp, in The Libertine.
Dodici mesi più tardi, eccola nei panni settecenteschi di Caroline Bingley, l'altezzosa cognata di Keira Knightley in Orgoglio e pregiudizio. Il 2008 la vede inoltrarsi nel bosco, per sfuggire da una gang di giovani teppisti, nell'horror Eden Lake. Eccola - inoltre - nelle vesti di Muriel Brassler in Me and Orson Welles, accanto al performer in erba Zac Efron. Nell'anno successivo è la moglie incinta del fotoreporter Jamie Sives in Triage, nonché la consorte del Dr. Watson, Jude Law, nello Sherlock Holmes secondo Guy Ritchie. Poi, la sua partecipazione italiana è in Ti presento un amico (2010) di Carlo Vanzina; l'anno successivo è confermata nel sequel Sherlock Holmes - Gioco di ombre, e nel 2012 è nel cast di Flight di Robert Zemeckis. Dopo Rompicapo a New York di Cédric Klapisch, affiancherà Greg Kinnear in Il paradiso per davvero e Idris Elba in Bastille Day - Il colpo del secolo.
Dopo la serie Yellowstone, è protagonista insieme a Favino di Promises di Amanda Sthers.

Vita privata
Dopo un flirt con Mr. Madonna, la Reilly si è legata all'attore israeliano Jonah Lotan. Nel 2012 è però convolata a nozze con Kyle Baugher.