Né en 1998 à Lausanne, d’un père américain et d’un mère française, Kacey Mottet Klein est par hasard repéré dans une rue alors qu'il n'a que neuf ans, lors d'un casting sauvage, par la réalisatrice Ursula Meier. Cette dernière lui permet de faire ses premiers pas sur grand écran dans Home, un drame centré sur une famille pas comme les autres vivant dans une maison isolée au bord d'une autoroute abandonnée. Isabelle Huppert et Olivier Gourmet sont en tête du casting de ce long métrage original présenté au 61ème Festival de Cannes dans le cadre de la Semaine de la Critique, en séance spéciale.

Cette expérience lui ouvre les portes du septième art. En 2010, Kacey Mottet Klein s'illustre dans la peau du jeune Serge Gainsbourg dans Gainsbourg, vie héroïque de Joann Sfar ; deux ans plus tard, il donne du fil à retordre à Léa Seydoux dans L'Enfant d'en haut, un drame poignant se déroulant en Suisse, son pays natal. Le jeune garçon y livre une performance remarquable en voleur à la petite semaine, à nouveau sous la direction d'Ursula Meier (ce type de personnage de petit délinquant devient une constante dans sa filmographie). Il reçoit d'ailleurs une nomination en tant que meilleur espoir masculin aux César 2013.

 Kacey Mottet Klein donne ensuite la réplique à Mathilde Seigner dans Une mère. Il y campe Guillaume, un jeune rebelle accumulant les mauvais coups. En 2016, il tient le premier rôle de Keeper, un drame dans lequel il joue Maxime, 15 ans, qui doit assumer la grossesse de sa petite-amie. La même année, le comédien explose aux yeux du public avec un nouveau rôle d'adolescent perturbé dans Quand on a 17 ans d'André Téchiné. Sa performance lui vaut une deuxième nomination au César du meilleur espoir masculin, de quoi encourager l'artiste, qui revendique sa fascination pour Leonardo DiCaprio.

Après avoir goûté au film en costumes via L'Echange des princesses (2017), Kacey Mottet Klein connaît une année 2018 chargée. L'acteur incarne ainsi le fils de Philippe Rebbot et Corinne Masiero dans Vent du Nord, un drame social se déroulant dans le nord de la France. Il enchaîne avec Comme des rois, où sa prestation du fils débrouillard d'un escroc chevronné (Kad Merad) ne passe pas inaperçue. Il est ensuite en tête d'affiche de Continuer de Joachim Lafosse, dans la peau d'un jeune en difficulté se voyant entraîner par sa mère (Virginie Efira) dans un long périple à travers le Kirghizistan.

Adapté du roman du même nom écrit par Laurent Mauvignier, ce long métrage mêlant drame familial et film d'aventure sort aujourd'hui dans les salles françaises.