Magnussen comenzó su carrera en el karting. En 2008 dio el salto a la Fórmula Ford Danés, donde consiguió el campeonato. También compitió en seis carreras de la ADAC Formel Masters series. En 2009 Magnussen pasó hasta la Fórmula Renault 2.0 NEC, terminando segundo por detrás de António Félix da Costa. También Kevin acabó séptimo en la Eurocup Formula Renault 2.0

En 2010 Magnussen compitió en la F3 Alemana y en la F3 Euro Series con Motopark Academy. En el primer certamen, ganó 3 carreras, y logró 3 segundos puestos, 2 terceros y dos cuartos para terminar tercero en el campeonato general, y primero en el campeonato de novatos. En la F3 Euro Series, disputó un par de carreras donde logró una victoria. El año siguiente Kevin Magnussen pasó a la F3 Británica, donde con 7 victorias logró el subcampeonato.

Kevin pasó a la Fórmula Renault 3.5 con Carlin en 2012; logró su primera victoria en la categoría en Spa-Francorchamps, además de 2 segundos puestos, un cuarto, y dos quintos para culminar séptimo en la tabla general. Al año siguiente, Magnussen siguió en la categoría pero con un equipo diferente, DAMS; venció en 5 carreras, y consiguió 5 segundos lugares, 3 terceros para coronarse campeón de la Fórmula Renault 3.5.

El equipo McLaren de Fórmula 1 lo contrató para la temporada 2014,​ ocupando la plaza que había dejado libre Sergio Pérez, quien había fichado por Force India. En su debut en la F1 en Australia, consiguió subir al podio, acabando en la tercera posición, un puesto por delante de su compañero Jenson Button. Horas después, se confirmó la descalificación de Daniel Ricciardo, que había acabado 2.º, por superar los 100 litros de gasolina en su coche, por lo que Magnussen ascendió a la segunda plaza.​ Es junto con Lewis Hamilton el único piloto en lograr esto en la F1 en el siglo XXI.

Aunque luego no acumuló más podios a lo largo del año, obtuvo 11 resultados puntuables, para finalizar 11.º en la tabla general de pilotos.

McLaren firmó para 2015 con Button y Fernando Alonso; Magnussen continuó en el equipo pero como piloto de reserva y de pruebas.​ Sustituyó a Alonso en el GP de Australia por un accidente de este en pruebas previas en Montmeló, pero no pudo ni siquiera tomar la salida por una rotura de motor. Finalmente, abandonó McLaren en diciembre de 2015.

El 3 de febrero de 2016, en el evento de presentación de la vuelta de Renault a la F1, se hizo oficial su fichaje al aparecer junto al que sería su compañero de equipo, Jolyon Palmer, y el piloto reserva del equipo, Esteban Ocon.​ El danés ocupó el puesto que era de Pastor Maldonado en el anterior equipo Lotus.​ Solamente pudo puntuar dos veces en toda la temporada (Rusia y Singapur), contando con un coche muy poco competitivo.

Fue llamado a sustituir a Esteban Gutiérrez en 2017 en el equipo Haas.​ Ese año sumó puntos en 5 carreras y quedó 14 en la clasificación general, un puesto detrás de Romain Grosjean, su compañero de equipo. Al año siguiente superó al francés tras sumar en la mayor parte de las carreras, con dos quintas posiciones como mejor resultado en carrera. Terminó 9º.

En 2019, el rendimiento del equipo decayó. Magnussen sumó en cuatro carreras, quedando en el puesto 16 al finalizar el campeonato, mientras que Grosjean fue 18º.​ Magnussen no continuó con Haas en 2021.

El 9 de marzo de 2022, Haas anunció que el piloto danés volverá al equipo como piloto titular, para competir junto al alemán Mick Schumacher. El ruso Nikita Mazepin iba a ocupar ese asiento, pero la invasión rusa de Ucrania iniciada semanas antes desencadenó en que el equipo prescindiera de él y del patrocinador Uralchem Group, empresa propiedad del padre de Mazepin.

Menos de dos semanas más tarde, en el GP de Baréin, el danés logró un destacado quinto puesto en su vuelta a Haas. Volvió sumar puntos en la siguiente carrera en Arabia Saudita, y luego en Emilia-Romaña y Gran Bretaña.