해링턴은 2020년 도쿄 올림픽에 아일랜드 선수단 중 한 명으로 참가한다. 7월 23일 개막식 아일랜드 선수단의 기수 중 한명으로서 개막식을 진행하기도 했다. 켈리 해링턴은 2020년 하계 올림픽 복싱 라이트급 종목 경기에 참가하였다. 첫 경기에서 레베카 니콜리 선수를 5–0 점수로 승리하여 준준결승에 진출하였고, 이후 경기에서 이마네 켈리프 선수를 5–0 점수로 승리하고 최소 동메달 이상을 받기로 확정되었다. 해링턴은 8월 5일 준결승전에서 수다뽄 시손디 선수를 3–2점으로 승리하고, 결승전으로 진출하였다. 켈리 해링턴이 8월 8일 결승전 경기를 치렀고 베아트리스 페헤이라 선수를 5–0 점수로 승리하면서 금메달을 수여하였고 아일랜드의 3번째 복싱 챔피언이 되었다. 대통령 마이클 D. 히긴스, 아일랜드의 총리인 미할 마틴은 케이티 테일러와 마이클 캐루스와 함께 해링턴에게 우승을 축하하였다.