[11]​ Kloss ha llamado a su formación clásica de ballet "algo hermoso" que le enseñó a moverse en el mundo del modelaje y que fue un gran campo de entrenamiento para la pasarela.

Kloss se encontró entonces en medio de una disputa legal cuando su antigua agencia Elite Model Management demandó a NEXT Model Management por el presunto robo de su joven estrella ofreciéndole a ella una "compensación inadecuada" para firmar.

[14]​ Después de haber sido representada durante cuatro años por Next Model Management, Kloss firmó con la agencia IMG Models.

Ella ha aparecido en campañas publicitarias para Jean Paul Gaultier, Donna Karan, Nina Ricci, Chloé, Lacoste, Sportmax, Alexander McQueen, Yves Saint Laurent, Elie Saab, Dolce & Gabbana, Gap, Bally Shoe, Bergdorf Goodman, Pringle of Scotland, Dior, Hermès, Óscar de la Renta, Sonia Rykiel, Aquascutum, Topshop, Eryn Brinie, Uniqlo, Omnia Jade, Lord & Taylor, Barneys New York, American Eagle, Victoria's Secret PINK y Adidas.

Ha desfilado para numerosos diseñadores en Nueva York, Londres, Milán y París, incluyendo Shiatzy Chen, Calvin Klein, Karl Lagerfeld, Marc Jacobs, Zac Posen, Givenchy, Gucci, Valentino, Louis Vuitton, Versace y Elie Saab.

En la temporada de primavera verano 2011, abrió diez desfiles y cerró ocho.

Su estilo en la pasarela, uno de los más singulares, a menudo se describe como poderoso.

El mismo año, ella hizo su debut en el desfile del Victoria's Secret Fashion Show.

En abril, Kloss apareció junto a Daria Strokous, Monika Jagaciak e Iris Strubegger en la campaña del bolso Alma de Louis Vuitton.

[16]​[17]​ En octubre de 2020 se hizo público que la pareja estaba esperando su primer hijo.

En colaboración con Momofuku Milk Bar llegó a crear su propia receta llamada Karlie's Kookies, la cual vendió en DKNY Soho durante la Fashion's Night Out de Nueva York y cuyos beneficios irán para niños con hambre de todo el mundo (a través del FEED Projects).