Di origini inglesi, scozzesi, irlandesi e tedesche, Kelly Ann McGillis nasce a Newport Beach, in California, il 9 luglio 1957 dalla casalinga Joan e dal medico Donald McGillis. Ha due sorelle minori: Karen (nata nel luglio 1959) e Kathleen (nata nell'agosto 1961). Il suo sogno è sempre stato quello della recitazione, e l'attrice cerca di realizzarlo entrando a far parte della Juilliard School di New York: qui partecipa al dramma Love for Love di William Congreve, diretto da John Blatchley. Nel 1977 si iscrive all'Accademia d'arte drammatica del Pacifico, e nel 1983 ottiene la sua prima parte di rilievo al cinema con Reuben, Reuben. Dopo aver partecipato a due serie televisive, torna sul grande schermo in Witness - Il testimone (1985), in cui interpreta una giovane vedova amish. Per calarsi nella parte, vive per una settimana nella comunità amish della Pennsylvania. Dopo aver ricevuto la candidatura al Golden Globe, si fa notare nel 1986 in Top Gun, accanto a Tom Cruise. Altri ruoli importanti per la sua carriera sono quelli in Sotto accusa (1988), Gente del Nord (1989) di Ted Kotcheff, L'isola dell'amore (1991), da lei anche prodotto, e A prima vista (1999). La sua partecipazione in Oltre ogni rischio di Abel Ferrara (1989) la consacra come una delle sex symbol di fine anni ottanta, anche perché appare in scena con «scollature vertiginose come la strada dello Stelvio» (definizione di Morando Morandini). In La maschera di scimmia (2000) interpreta la professoressa Diana Maitland, misteriosa insegnante universitaria di una ragazza uccisa che intraprende una relazione omosessuale con la detective che si occupa del caso. Una delle sue ultime interpretazioni è Nessuno può sentirti, film horror del 2001.