Gene era figlio di James Kelly, un commerciante di grammofoni, e di Harriet Curran, entrambi nati da immigrati irlandesi. Terzo di cinque fratelli – Jay, Jim, Gene, Louise e Fred – il piccolo Gene venne incoraggiato dalla madre a intraprendere gli studi di danza fin da bambino, assieme al fratello minore Fred, con il quale lavorerà in duo con il nome di “The Kelly Brothers” in spettacoli amatoriali. Nel 1932 inaugurò la “Gene Kelly Studio of the Dance”, una scuola di danza con sede sia a Pittsburgh che a Johnstown, in cui insegnerà assieme ai fratelli Fred e Louise. Si diplomò alla Peabody High School e frequentò l’Università di Pittsburgh, dove entrò nella confraternita Phi Kappa Theta e conseguì nel 1933 la laurea in Economia.
Agli inizi della sua carriera a Broadway, apparve nello spettacolo Leave It To Me di Cole Porter, in qualità di ballerino di supporto della cantante Mary Martin, durante l’esecuzione del numero “My Heart Belongs to Daddy”. Nel 1940 ottenne il ruolo principale nella pièce Pal Joey di Richard Rodgers e Lorenz Hart, che gli fece guadagnare fama a livello nazionale. In questo periodo lavorò inoltre come coreografo in diversi spettacoli, inclusa la produzione di Best Foot Forward (1941).
Kelly debuttò sul grande schermo nel film For Me and My Gal (1942), accanto a Judy Garland, affermandosi definitivamente due anni più tardi in Fascino (1944), al fianco di Rita Hayworth. Il film ebbe molto successo e fu il primo per il quale Kelly lavorò a buona parte delle coreografie. Nel 1946 ricevette una nomination agli Oscar come miglior attore per il film Due marinai e una ragazza (Canta che ti passa) (1945), accanto a Frank Sinatra, con cui girerà successivamente Facciamo il tifo insieme (1949) e Un giorno a New York (1949).
Nella prima metà degli anni cinquanta, Kelly toccò l’apice della carriera quale protagonista di due indimenticabili classici di Hollywood, Un americano a Parigi (1951) e Cantando sotto la pioggia (1952), quest’ultimo co-diretto con Stanley Donen, con il quale aveva già collaborato alla regia di Un giorno a New York. Dagli anni sessanta si dedicò a vari progetti, fra i quali la regia e alcune produzioni televisive.
Le scene più memorabili dei suoi film includono:
La danza con un gruppo di bambini francesi cantando “I Got Rhythm”, in Un americano a Parigi.
L’incalzante balletto finale di Un americano a Parigi, in particolare la parte in cui impersona il ballerino di un quadro di Toulouse Lautrec.
La scena del “Broadway Melody” in Cantando sotto la pioggia.
La danza sotto la pioggia in una famosissima e imitatissima scena di Cantando sotto la pioggia; una scena filmata in due giorni mentre era ammalato con 39.4 °C di febbre.
La danza con un’asse scricchiolante e un giornale in L’allegra fattoria.
La danza coi pattini in È sempre bel tempo.
La danza assieme al topo Jerry di Tom & Jerry in Due marinai e una ragazza.
La danza con il proprio riflesso in Fascino.
È stato il primo artista statunitense a coreografare e mettere in scena un balletto all’Opéra di Parigi.
Dopo essere stato colpito da due ictus, Kelly morì il 2 febbraio 1996, a Beverly Hills, California, all’età di 83 anni.