Passionné de photographie et de cinéma, Kamen Kalev s'inscrit à l'Ecole Nationale du Théâtre et du Cinéma de Bulgarie. Il quitte ensuite son pays natal pour intégrer la Fémis de Paris et se spécialiser dans l'image. En 2001, il travaille en tant que directeur de la photographie sur Les Filles, personne s'en méfie, le film de la réalisatrice française Charlotte Silvera.

Après avoir obtenu son diplôme en 2002, Kalev réalise trois courts métrages qui lancent sa carrière. Il réalise d'abord en 2003, Orphée, dans lequel il réunit ses talents d'auteur, réalisateur, photographe et monteur puis collabore avec son compatriote, Dimitar Mitovski en réalisant Get the rabbit back et Rabbit troubles qui lui permettent d'arpenter la Croisette en 2005 et en 2007.

En 2009, il met en scène son premier long métrage qu'il intitule Eastern Plays. Présenté dans le cadre de la Quinzaine des réalisateurs, le film marque le retour de la Bulgarie au Festival de Cannes. Il reçoit par ailleurs de nombreux prix qui saluent le talent du jeune réalisateur. Ce dernier entreprend en 2011 la réalisation de The Island, un second long métrage dans lequel il réunit Laetitia Casta et Thure Lindhardt et qui est à son tour sélectionné à la Quinzaine des réalisateurs du fameux festival.