Kimberly Birrell joue son premier match professionnel en 2012, à l'âge de 14 ans.
Elle gagne en 2016 son premier match sur le circuit WTA en éliminant la 50e joueuse mondiale Danka Kovinić à Hobart, avant de s'incliner au premier tour de l'Open d'Australie face à la tête de série numéro 9 Karolína Plíšková.
En 2019, elle fait sensation au tournoi de Brisbane en éliminant la joueuse classée à la 10e place mondiale, Daria Kasatkina.
Elle se distingue lors de l'Open d'Australie 2019, où, détentrice d'une invitation, elle se hisse au troisième tour du simple dames, après avoir écarté la tête de série no 29 Donna Vekić.
En 2021, elle se qualifie pour les huitièmes de finale du tournoi de Melbourne après avoir notamment éliminé la Française Alizé Cornet.