Марк Келли окончил среднюю школу в 1982 году в населенном пункте Вест Орэндж (West Orange), штат Нью-Джерси. В 1986 году Келли окончил с отличием Академию торгового флота США (United States Merchant Marine Academy) и получил степень бакалавра в области морской инженерии и навигации. Академия торгового флота США — одна из пяти военных академий США, которая готовит специалистов торгового флота и находится в Кингс Поинт (Kings Point), штат Нью-Йорк. Келли изучал кораблестроение, морской транспорт, навигацию и морское право. Степень Магистра Келли получил в 1994 году после окончания Военно-Морской школы США (U.S. Naval Postgraduate School).
В 1987 году Келли прошёл лётную подготовку на штурмовике А-6 «Интрудер» и стал морским лётчиком. Келли проходил службу в Японии на авианосце «Мидуэй». В 1989 году авианосец «Мидуэй» отправился в Персидский залив, где обеспечивал охрану нефтяных танкеров. В 1991 году авианосец участвовал в военной операции «Буря в пустыне», Келли выполнил 39 боевых вылетов.
Келли имеет более 3500 часов налёта на самолётах более 40 типов, и совершил более 375 посадок на авианосец.
Келли, вместе со своим братом-близнецом Скоттом Келли, был отобран в группу подготовки астронавтов в мае 1996 году. С августа 1996 года Келли проходил двухлетнюю космическую подготовку. Осенью 1998 года Келли стал пилотом шаттла. Первый космический полёт в качестве пилота шаттла «Индевор» STS-108, Келли совершил в 2001 году. Полёт продолжался 12 суток. Второй полёт Келли совершил в июле 2006 года на шаттле «Дискавери» STS-121.
Третий полет Марк Келли совершил в качестве командира экипажа шаттла «Атлантис» STS-124, который весной 2008 года доставил вторую часть японского модуля «Кибо» к МКС.
Назначен командиром финального полета шаттла «Индевор» STS-134. Изначально предполагалось, что в феврале 2011 Марк встретит на МКС своего брата-близнеца Скотта, который улетел на МКС 8 октября 2010 на корабле Союз ТМА-01М. В связи с тем, что старт «Индевор» STS-134 был перенесен на 29 апреля 2011 года, а Скотт вернулся на Землю 16 марта 2011, встреча братьев на орбите не состоялась. Полёт прошёл с 16 мая по 1 июня 2011 года.
В общей сложности, за четыре космических полёта Марк Келли провёл в космосе 54 суток 1 час 2 минуты (1297 часов 2 минуты).
7 октября 2007 года женился на члене Палаты представителей США Габриэль Гиффордс, которая 8 января 2011 года стала жертвой террористического акта в её родном городе Тусон.
Имеет двоих детей от предыдущего брака с Амелией Бэбис (Amelia Victoria Babis)