Chris Klein quitte son Illinois natal pour le Nebraska à l'âge de 13 ans. Dès son entrée au lycée, il s'intéresse à la comédie et s'inscrit aux cours de théâtre de son établissement.

C'est d'ailleurs au lycée que le destin donne un coup de pouce à Chris Klein. Le réalisateur Alexander Payne l'y remarque et lui donne immédiatement l'un des principaux seconds rôles de L'Arriviste, dans lequel il côtoie Matthew Broderick et Reese Witherspoon. La même année, il décroche en effet le rôle qui lui apporte la gloire, celui de Oz, l'un des adolescents d'American pie. Le comédien profite de l'immense succès du film.

En 2000, Chris Klein tient la vedette de Un Eté sur Terre, un film dans lequel il partage la vedette avec deux autres stars montantes du cinéma américain, Leelee Sobieski et Josh Hartnett, puis s'illustre, au côté d'Heather Graham, dans Trop, c'est trop ! de James B. Rogers. Un réalisateur qu'il retrouve en 2001 pour American pie 2.

Abonné aux comédies, Chris Klein effectue un vrai virage en 2002. Tout d'abord avec le film d'action Rollerball de John McTiernan, où il incarne le héros d'un sport ultra-violent dans ce remake du film de Norman Jewison. Ensuite avec le film de guerre Nous étions soldats de Randall Wallace, plongée dans la guerre du Vietnam où il a pour partenaire Mel Gibson.