كان أول رحلة فضائية لكيلي كانت على شكل طيار على متن مكوك الفضاء ديسكفري خلال رحلة إس تي إس-103 في ديسمبر 1999. كانت هذه هي المهمة الثالثة للخدمة على تلسكوب الفضاء هابل، و دامت أقل من ثمانية أيام. كانت الرحلة الفضائية الثانية لكيلي على شكل قائد مهمة إس تي إس-118، وهي مهمة مكوك الفضاء لمدة 12 يوم إلى محطة الفضاء الدولية في أغسطس 2007. كانت الرحلة الفضائية الثالثة لكيلي على شكل عضو في الطاقم على متن الرحلة 25/26 على المحطة الفضائية الدولية. وصل إلى المحطة الفضائية على متن سويوز تي إم إيه-01 إم في 9 أكتوبر 2010، وعمل مهندس طيران حتى تولى قيادة المحطة الفضائية في 25 نوفمبر 2010 في بداية الرحلة 26.
9 أكتوبر 2010