Née à Glasgow, elle débute sa carrière en 1996, qui prend son essor la même année grâce à son interprétation dans Trainspotting, de Danny Boyle, face à Ewan McGregor. Elle enchaîne les rôles, comme celui d'une adolescente prostituée dans De la part de Stella ou de la jeune fille qui séduit un schizophrène (joué par Daniel Craig) dans Some Voices.

À sa filmographie figurent aussi Cousin Bette, d'après Balzac, Elizabeth, La fin de l'innocence sexuelle, Gosford Park recevant une nomination à l'Empire Award de la Meilleure Actrice pour sa prestation et obtient le Screen Actors Guild Award de la Meilleure Interprétation d'ensemble, Intermission, Entropy, Nanny McPhee et Two Family House qui lui a valu une nomination à l'Independent Spirit Award de la Meilleure Actrice, suivis de plusieurs séries ou téléfilms dont Jeux de pouvoir.

Elle joue Carla Jean Moss dans No Country for Old Men, des frères Coen, sorti en 2008. La même année, elle est à l’affiche de Choke, adapté d’un roman de Chuck Palahniuk, suivi de The Merry Gentleman et Dans la brume électrique, de Bertrand Tavernier. On peut aussi la voir dans Boardwalk Empire aux côtés de Steve Buscemi, série dirigée par Martin Scorcese.

Elle a également joué au théâtre, notamment dans Hurlyburly à l'Old Vic, dans une mise en scène de Wilson Milam. En août 2003, Kelly Macdonald se marie avec le musicien Dougie Payne. Le couple vit à Glasgow. Leur enfant, Freddie Peter Payne, est né en mars 2009. En août 2012, elle annonce attendre son second enfant.