Erste internationale Erfahrungen sammelte Kelsey-Lee Barber bei den Commonwealth Games 2014 in Glasgow, bei denen sie mit einer Weite von 62,95 m die Bronzemedaille hinter ihrer Landsfrau Kimberley Mickle und der Südafrikanerin Sunette Viljoen gewann. Im Jahr darauf nahm sie erstmals an den Weltmeisterschaften in Peking teil, schied dort aber mit 60,18 m in der Qualifikation aus. 2016 vertrat sie Australien bei den Olympischen Spielen in Rio de Janeiro, konnte sich aber auch dort mit 55,25 m nicht für das Finale qualifizieren. Bei den Weltmeisterschaften in London ein Jahr später gelangte sie bis in das Finale und wurde dort mit einem Wurf auf 60,76 m Zehnte. 2018 gewann sie bei den Commonwealth Games im heimischen Gold Coast mit 63,89 m die Silbermedaille hinter ihrer Landsfrau Kathryn Mitchell. Zudem belegte sie beim Continentalcup in Ostrava mit 59,32 m den fünften Platz. Im Jahr darauf siegte sie bei den Ozeanienmeisterschaften in Townsville mit neuem Meisterschaftsrekord von 65,61 m. Den bis dahin bedeutendsten Erfolg Ihrer Karriere feierte sie mit dem Titelgewinn bei den Leichtathletik-Weltmeisterschaften 2019 in Doha. 2021 ließ sie bei den Olympischen Spielen in Tokio mit 64,56 m eine Bronze-Medaille folgen.