Chris Klein lahir di Hinsdale, Illinois, pada 14 Maret 1979. Ibunya, Terese, adalah guru taman kanak-kanak, sementara ayahnya, Fred Klein, adalah insinyur. Ia berasal dari keturunan Jerman, Irlandia, dan Inggris. Setelah 13 tahun di Illinois, keluarganya pindah ke Nebraska. Saat masih sekolah menengah, ia ditemukan oleh sutradara Alexander Payne yang sedang casting film Election. Perannya sebagai Paul Metzler yang ceria dan beringas dalam film itu mendapat sambutan positif dan membuka kariernya.

Setelah itu, Klein mulai mendapatkan pekerjaan tetap di industri film. Ia pernah kuliah di Texas Christian University (TCU), jurusan teater, dan bergabung dengan fraternitas Lambda Chi Alpha. Kariernya melejit setelah membintangi American Pie yang dirilis Juli 1999 dan sukses box office. Ia mengulangi peran tersebut di American Pie 2 dan American Reunion.

Pada tahun 2002, Klein tampil dalam film perang Vietnam, We Were Soldiers, bersama Mel Gibson. Ia juga muncul di film remaja lain seperti Just Friends (2005) dan American Dreamz (2006). Tahun 2014, ia bermain sebagai pilot Amerika dalam film The Uberkanone dan berperan bersama Kaley Cuoco di film komedi indie Authors Anonymous.