Isaac Kimeli har konkurrert for Belgia i internasjonale konkurranser siden 2011. På den tiden startet han på European Youth Olympic Festival i Trabzon over 1500 meter, der han ble nummer ni. I 2012 ble han nummer tre i det belgiske U20-mesterskapet. Et år senere vant han nasjonalt mesterskap i samme aldersgruppe over 1500 meter. I mars deltok han i U20 verdensmesterskap i langrenn i Bydgoszcz. på 23:15 min ble han nummer 30. I juli 2014 ble han belgisk mester over 1500 meter. Over denne distansen gikk han deretter til start på EM . Som niende av sin forberedelse klarte han ikke å ta seg til finalen. I 2015 konkurrerte Kimeli over 5000 meter på U23-EM i Tallinn. I finalen løp han 13: 54,33 min og vant sølvmedaljen.
Ved EM i Amsterdam i 2016 nådde Kimeli finalen over 1500 meter, der han ble nummer ni på 3: 47,92 minutter. I mars 2017 deltok han i verdensmesterskap i langrenn i Kampala, men klarte ikke å fullføre løpet. I august 2018 startet han på EM i Berlin over 5000 meter, men ble diskvalifisert etter å ha krysset linjen til et spor. Så i desember deltok han i europamesterskapet i langrenn i Tilburg, Nederland, der han vant sølvmedaljen bak norske Filip Ingebrigtsen på 28:52 minutter . I september 2019 satte Kimeli den beste tiden over 5000 meter i en konkurranse i Brussel på 13: 13.02 minutter, som han sikret seg kvalifisering til OL i 2020 . En god måned senere konkurrerte han på verdensmesterskap i Doha både over 1500 og 5000 meter. Over 5000 meter kom han seg til finalen, der han måtte hylle det høye start tempoet og endte sist på 14. plass. Fem dager senere nådde han semifinalen over 1500 meter, men ble eliminert der på niende plass i løpet. I desember endte Kimeli åttende ved EM i langrenn i Lisboa.
I februar 2021 løp Kimeli en innendørs beste tid på 7: 44,17 minutter over 3000. I mars gikk han inn i innendørs-EM i Toruń, Polen, og tok seg til finalen på 3000 meter. Han avsluttet løpet på andreplass bak nordmannen Jakob Ingebrigtsen , som er hans hittil største sportslige suksess.