En 2009 Magnussen pasó hasta la Fórmula Renault 2.0 NEC, terminando segundo por detrás de António Félix da Costa.

[2]​ Kevin pasó a la Fórmula Renault 3.5 con Carlin en 2012; logró su primera victoria en la categoría en Spa-Francorchamps, además de 2 segundos puestos, un cuarto, y dos quintos para culminar séptimo en la tabla general.

Al año siguiente, Magnussen siguió en la categoría pero con un equipo diferente, DAMS; venció en 5 carreras, y consiguió 5 segundos lugares, 3 terceros para coronarse campeón de la Fórmula Renault 3.5.

En su debut en la F1 en Australia, consiguió subir al podio, acabando en la tercera posición, un puesto por delante de su compañero Jenson Button.

[8]​ Aunque luego no acumuló más podios a lo largo del año, obtuvo 11 resultados puntuables, para finalizar 11.º en la tabla general de pilotos.

[12]​ Solamente pudo puntuar dos veces en toda la temporada (Rusia y Singapur), contando con un coche muy poco competitivo.

Magnussen clasificó primero antes de que George Russell se quedara atrapado en la escapatoria de la curva 4, sacando la bandera roja, y con las condiciones empeorando, significó que ningún piloto pudo salir a mejorar sus tiempos.

[18]​ En su primera temporada tras un año fuera, Magnussen logró finalizar en el puesto 13 del campeonato, su mejor resultado desde 2018.

[21]​ También hizo su debut en las 24 Horas de Le Mans en 2021, con un LMP2 compartido con su padre Jan y Anders Fjordbach.

[23]​ Tras el inesperado retorno a la Fórmula 1, Magnussen fue liberado de sus contratos con Chip Ganassi y Peugeot.

[24]​ Además, fue llamado por el equipo Arrow McLaren SP para sustituir a Felix Rosenqvist en la ronda de Road America en la IndyCar Series 2021.