Kitty Kielland blev født i Stavanger, Norge, og voksede op i et velhavende og kultiveret hjem. Hun begyndte først sent at interesse sig for at male og tegne, og som 30-årig rejste hun til udlandet for at studere kunst. I perioden 1873–75 boede hun i Karlsruhe, hvor hun var elev af landskabsmaleren Hans Gude (1825–1903), der oplærte hende i realismen og at male i det fri. I årene 1875–78 boede hun i München, hvor hun blev en del af en kreds af norske kunstnere, der havde slået sig ned i byen. Hun mødte bl.a. malerne Harriet Backer (1845–1932) og Eilif Peterssen (1852–1928), som hun fik et livslangt venskab med.

I 1879 rejste hun til Frankrig, og sammen med Harriet Backer slog hun sig ned i Paris som én af de første norske kunstnere. Her boede hun i årene 1879–89 - i størstedelen af perioden sammen med Backer, som hun også delte atelier med. Begge forblev ugifte, og de helligede sig kunsten fuldt ud. I 1880’erne var den parisiske Café de la Régence et samlingspunkt for skandinaviske kunstnere og intellektuelle, og hér mødte Kielland bl.a. Michael (1849–1927) og Anna Ancher (1859–1935), og i 1889 malede Anna Ancher et portræt af Kielland, som i dag findes på Skagens Kunstmuseer (inv. nr. HAf7). I 1888 havde hun også mødt Marie Krøyer (1867–1940) i Paris.

Det var i Paris, hun for alvor slog igennem som kunstner. I 1879 udstillede hun for første gang på Salonen – to landskaber fra Jæren i Norge – og frem til 1883 var hun repræsenteret på Salonen med både norske og franske landskaber. For en kort periode studerede hun hos landskabsmaleren Léon Pelouse (1838–1891), som påvirkede hende til at videreudvikle friluftsmaleriet og male med friere og vibrerende penselstrøg.

Selvom Kitty Kielland også malede interiører, bl.a. fra lejligheden og atelieret i Paris, var hun først og fremmest kendt som landskabsmaler, og hun anses i dag som en af de mest markante og første norske kvindelige landskabsmalere. Hun udførte adskillige motiver fra sin hjemegn Rogaland i Norge, og hun er især blevet kendt for at skildre naturen i området Jæren, som blev et af hendes favoritmotiver.

Kielland var stærkt engageret i kvindebevægelsen i Norge, og hun deltog ivrigt i samtidens debatter om kvinders rettigheder. I 1884 var hun med til at grundlægge Norsk Kvinnesaksforening.