Kelsey Mitchell pratique le football, avant de se mettre au cyclisme en à l'âge de 23 ans[1], après avoir participé au RBC Training Ground, un programme canadien où sont testés les compétences dans plusieurs sports chez les jeunes athlètes[2]. En février de l'année suivante, elle participe à sa première course sur piste.
En , elle décroche trois médailles, dont un titre lors de ses premiers championnats du Canada[3]. En , elle participe à sa première compétition internationale et termine sixième du tournoi de vitesse lors de la Coupe du monde de Hong Kong. En , lors des Jeux panaméricains, elle remporte l'or sur le tournoi de vitesse. Lors de cette compétition, elle est également médaillée d'argent de la vitesse par équipes et cinquième du keirin. Quelques semaines plus tard, lors des championnats panaméricains, elle remporte l'or en vitesse individuelle et en vitesse par équipes avec Lauriane Genest. En qualification de la vitesse individuelle, elle bat le record du monde du 200 mètres départ lancé en 10,154 secondes. Ce record était détenu depuis 2013 par Kristina Vogel en 10,384 secondes[4].