GrummanEdit
Kelly 1951 és 1953 között a Rigel rakétaprogram keretében hajtóműmérnökként kezdett dolgozni a Grummannál. A projekt után átkerült az F-11 Tiger programba, majd később csoportvezetővé léptették elő.
Air ForceEdit
1956-ban Kellyt aktív szolgálatba hívták, és az Ohiói Daytonban lévő Wright-Patterson légibázison állomásozott. Szolgálata alatt Kelly a B-58 Hustler, az F-105 Thunderchief és az AGM-28 Hound Dog teljesítménymérnöke volt. Két év szolgálat után 1958-ban elbocsátották.
LockheedEdit
rövid ideig Kelly a Lockheed Corporation-nél dolgozott rakéta-és űrosztályukon. Kelly volt a csoport vezetője a rakéta propulsion development engineering. Itt maradt 1959-ig.
visszatérés a GrummanEdit
Kellyt visszavonták Grummanba, ahol 1959-től 1960-ig a meghajtás helyettes vezetője volt.
ezután áthelyezték Grumman Apollo-és Holdkomplexumába. Ez idő alatt Kelly segített fejleszteni a lunar orbit rendezvous koncepció.
1962 végén Grumman megnyerte a 2 milliárd dolláros kormányzati szerződést a NASA-tól. Kellyt kinevezték a Lunar Excursion modul (LEM) tervezőcsapatának vezetésére. Több mint 7000 alkalmazottat foglalkoztatott a Holdmodul tervezésében és építésében. Kelly csoportja egy kétlépcsős űrhajó ötletével jött létre (ascent & descent stage), amely két űrhajóst visz a Hold felszínére, míg egy harmadik űrhajós Hold körüli pályán marad.
Kelly éppen 40 éves lett, amikor Neil Armstrong 1969.július 20-án megtette első történelmi lépését a Holdon. A leszállás során jég alakult ki egy üzemanyagvezetékben, eltömődve. Ha a motor hője kiolvasztotta az eltömődést, az üzemanyag felrobbanhat. Kelly és a Grumman legénysége szerencséjére a probléma megoldódott, és a legénység képes volt megnyugodni és rájönni, hogy mit tettek. Egy 1998-as interjúban Kelly kijelentette: “ez volt a legnagyobb dolog a karrieremben. És utólag még jelentősebb volt, mint azt akkor gondoltuk.”A tapasztalat azonban nem volt feszültség és stressz nélkül, a projekt során kifejlesztett ideges tic-ben nyilvánul meg.
összességében Grumman tizenöt holdmodult épített, de közülük csak hatnak volt lehetősége a Hold felszínére szállni. Mindegyik modul jelentős fejlesztéseket hajtott végre az előzőhöz képest. A Holdmodul Kelly karrierjének legjelentősebb eredményei közé tartozik, mivel ez még mindig az egyetlen űrhajó, amelyet az emberek egy másik égitestbe repültek.