Детский годы Келли Овертон прошли в городе Уилбрахам, штат Массачусетс. В школе она была звездой в легкой атлетике, играла в футбол и баскетбол. Сразу после окончания средней школы девушка переехала в Нью-Йорк, успешно сдала экзамены в Американскую академию драматического искусства (англ. American Academy of Dramatic Arts). Келли закончила Академию с отличием и получила The Charles Jehlinger Award.
Дебютной работой Келли стала роль Рэйнн Вилкинс в нескольких эпизодах телевизионной мыльной оперы «Все мои дети» (англ. «All My Children»). В 2002 году молодая актриса получила роль в комедийной драме «The Job». Также в этом году Овертон сыграла Элейн Робинсон в театральной постановке по мотивам фильма «Выпускник» (англ. «The Graduate»). Партнерами актрисы по спектаклю стали Кэтлин Тернер (англ. Kathleen Turner) и Джейсон Биггс (англ. Jason Biggs).
В 2003 году девушка успела отметиться в телевизионной драме «Without a Trace», в комедийной драме «Семейные ценности» (англ. «It Runs in the Family») режиссера Фреда Шепизи (англ. Fred Schepisi), криминальном сериале «Практика» (англ. «The Practice»), главные роли в котором сыграли Стив Харрис (англ. Steve Harris), Кэмрин Мэнхайм (англ. Camryn Manheim) и Майкл Бадалуччо (англ. Michael Badalucco). В 2004 году Келли Овертон прошла кастинг на главную роль в триллере «Спастись до рассвета» (англ. «Breaking Dawn»), в котором исполнила роль студентки медицинского факультета Евы. На съемочной площадке актрисы работала вместе с Джеймсом Хэйвеном и Сарой-Джейн Поттс.
В последующие годы актриса успела сняться в ряде кинокартин, включая фильм ужасов «Звонок 2» (2005), вестерн «Унылый каньон» (2006), мистический фильм «Обреченность» (2006), драму «The Wager» (2007), триллер «In My Sleep» (2010) и др. В 2008 году Келли Овертон сыграла главную роль в фильме «Коллектив» («The Collective»), также она попробовала себя в качестве режиссера, сценариста и кинопродюсера данной картины.
