Seine erste internationale Medaille im Seniorenbereich gewann Klein bei den Europameisterschaften 2006 in Budapest, wo er zusammen mit seinem damaligen Partner Heiko Meyer Silber im 10 m-Synchronwettbewerb erreichte. Im gleichen Wettbewerb konnte er bei den Europameisterschaften 2008 in Eindhoven, 2009 in Turin, 2010 in Budapest und 2011 abermals in Turin jeweils mit Patrick Hausding den Titel gewinnen. Im Einzel vom 10 m-Turm wurde er bei den Europameisterschaften 2008 Zweiter, 2010 und 2011 konnte er jeweils den Titel gewinnen. Bei den Weltmeisterschaften 2011 in Shanghai konnte das Duo Klein/Hausding mit Silber im 10-m-Synchronspringen auch ihre erste WM-Medaille erringen. Im Turmspringen feierte Klein zudem seinen größten Erfolg bei einem Einzelwettbewerb. Er gewann hinter Qiu Bo und David Boudia Bronze.