Grummandedit
Kelly begyndte at arbejde hos Grumman som fremdrivningsingeniør, der arbejdede under Rigel-missilprogrammet fra 1951 til 1953. Efter dette projekt blev han flyttet til F-11 Tiger-programmet og senere forfremmet til gruppeleder.
Air ForceEdit
i 1956 blev Kelly indkaldt til aktiv tjeneste og var stationeret på Air Force Base i Dayton, Ohio. Under sin pligt var Kelly præstationsingeniør på B-58 Hustler, F-105 Thunderchief og AGM-28 Hound Dog. Efter to års tjeneste blev han udskrevet i 1958.
LockheedEdit
i kort tid arbejdede Kelly hos Lockheed Corporation på deres missile and space division. Kelly var gruppeleder for rocket propulsion development engineering. Han blev her indtil 1959.
vend tilbage til Grummandit
Kelly blev trukket tilbage til Grumman, hvor han tiltrådte stillingen som assisterende chef i fremdrift fra 1959 til 1960.
Han blev derefter flyttet til Grummans Apollo-og Månemodulforslag. I løbet af denne tid hjalp Kelly med at udvikle månebane møde koncept.i slutningen af 1962 vandt Grumman regeringskontrakten på 2 milliarder dollars fra NASA. Kelly blev forfremmet til at lede designteamet til Lunar udflugt modul (LEM). Han var ansvarlig for mere end 7.000 medarbejdere inden for design og opbygning af månemodulet. Kellys gruppe kom på ideen om et to-trins rumfartøj (ascent & descent stage), der ville tage to astronauter til Månens overflade, mens en tredje astronaut ville forblive i månens bane.Kelly var lige fyldt 40 år, da Neil Armstrong tog sit første historiske skridt på månen den 20.juli 1969. Under landingen var der dannet is i en brændstofledning, der tilstoppede den. Hvis varmen fra motoren optøede tilstopningen, kunne brændstoffet detonere. Heldigvis for Kelly og Grumman-besætningen korrigerede problemet sig selv, og besætningen var i stand til at slappe af og indse, hvad de havde gjort. I en samtale i 1998 sagde Kelly: “det var den største ting i min karriere. Og, i bakspejlet, det var endnu mere markant, end vi troede på det tidspunkt.”Oplevelsen var dog ikke uden belastning og stress, manifesteret i en nervøs tic, han udviklede under projektet.
I alt byggede Grumman femten månemoduler, men kun seks af dem havde mulighed for at lande på Månens overflade. Hver af disse moduler havde betydelige opgraderinger i forhold til den sidste. Månemodulet er blandt de mest betydningsfulde præstationer i Kellys karriere, da det stadig er det eneste rumfartøj, som mennesker har fløjet til en anden himmellegeme.