GrummanEdit
Kelly začal pracovat na Grumman jako pohonné inženýr pracující pod Rigel Raketový Program, od roku 1951 do roku 1953. Po tomto projektu byl přesunut do programu F-11 Tiger a později povýšen na vedoucího skupiny.
Air ForceEdit
v roce 1956 byl Kelly povolán do aktivní služby a byl umístěn na letecké základně Wright-Patterson v Daytonu v Ohiu. Během své služby byl Kelly výkonným inženýrem na B-58 Hustler, F-105 Thunderchief a AGM-28 Hound Dog. Po dvou letech služby byl v roce 1958 propuštěn.
LockheedEdit
Kelly krátce pracoval v Lockheed Corporation na jejich raketové a vesmírné divizi. Kelly byl vedoucí skupiny raketového pohonu vývojového inženýrství. Zůstal zde až do roku 1959.
návrat do GrummanEdit
Kelly byl tažen zpět do Grumman, ve kterém se v letech 1959 až 1960 ujal funkce asistenta náčelníka v pohonu.
poté byl přesunut do grummanových návrhů Apollo a lunárního modulu. Během této doby Kelly pomohl vyvinout koncept lunar orbit rendezvous.
koncem roku 1962 získal Grumman vládní kontrakt ve výši 2 miliard dolarů od NASA. Kelly byl povýšen, aby vedl designový tým pro lunární exkurzní modul (LEM). Měl na starosti více než 7 000 zaměstnanců při navrhování a stavbě lunárního modulu. Kelly je skupina přišla s myšlenkou, dvoustupňový sonda (výstup & descent stage), že by se dva astronauti na povrchu Měsíce, zatímco třetí astronaut by zůstat na orbitě měsíce.
Kelly právě otočil 40, když Neil Armstrong udělal svůj první historický krok na měsíci 20. července 1969. Během přistání se v palivovém potrubí vytvořil led a ucpal ho. Pokud teplo z motoru rozmrazilo ucpání, mohlo by palivo vybuchnout. Naštěstí pro Kelly a posádku Grumman, problém se napravil a posádka se dokázala uvolnit a uvědomit si, co udělali. V rozhovoru v roce 1998 Kelly uvedl: „Byla to největší věc v mé kariéře. A při zpětném pohledu to bylo ještě významnější, než jsme si tehdy mysleli.“Zkušenost však nebyla bez napětí a stresu, projevující se nervovým tikem, který vyvinul během projektu.
celkově Grumman postavil patnáct lunárních modulů, ale pouze šest z nich mělo příležitost přistát na povrchu Měsíce. Každý z těchto modulů měl významné upgrady ve srovnání s posledním. Lunární modul patří mezi nejvýznamnější úspěchy Kellyho kariéry, protože je to stále jediná kosmická loď, kterou lidé letěli do jiného nebeského těla.