Kacey Mottet Klein est repéré dans un rue, lors d'un casting sauvage, alors qu'il n'a que 10 ans. Le garçon fait ses premiers pas sur grand écran sous la direction d'Ursula Meier dans Home aux côtés d'Isabelle Huppert.Cette expérience lui ouvre les portes du 7ème art. En 2010, il s'illustre dans la peau du jeune Serge Gainsbourg dans Gainsbourg, vie héroïque de Joann Sfar ; deux ans plus tard, il donne du fil à retordre à Léa Seydoux dans L'enfant d'en haut.