Kacey Mottet Klein wuchs in Bussigny-près-Lausanne bei seiner Mutter und seinem Adoptivvater auf.[1] Dank der Herkunft seines Vaters besitzt er auch die US-amerikanische Staatsbürgerschaft.[2]
In dem Film Home spielte er Julien, den zehnjährigen Sohn einer Familie, die unmittelbar an einer Autobahn wohnt. Für diese Rolle wurde er im Jahr 2009 mit dem Schweizer Filmpreis als „bestes schauspielerisches Nachwuchstalent“ ausgezeichnet.
Den Schweizer Filmpreis 2013 gewann Mottet Klein als Hauptdarsteller des Films Winterdieb (Regie Ursula Meier). Darin spielt er den zwölfjährigen Simon, der Skitouristen bestiehlt, um sich und die ältere Louise, die sich als seine Schwester ausgibt, über die Runden zu bringen. Für seine Darstellung erhielt Mottet Klein außerdem 2013 eine César-Nominierung als „bester Nachwuchsdarsteller“.