Lisa Klein ist seit 2006 im Radsport aktiv. 2011 belegte sie bei deutschen Bahnmeisterschaften drei Podiumsplätze in der Jugendklasse: Sie wurde Zweite in Punktefahren sowie jeweils Dritte im Sprint und der Einerverfolgung. Auch bei den deutschen Meisterschaften der Jugend auf der Straße wurde sie Dritte. 2012 wurde sie zweifache deutsche Jugendmeisterin, in Punktefahren und Verfolgung.
Bei den Bahn-Europameisterschaften der Junioren 2013 belegte Klein gemeinsam mit Doreen Heinze den zweiten Platz im Teamsprint. Im Dezember desselben Jahres wurde sie deutsche Meisterin der Elite im Scratch sowie Dritte im Omnium.[1] Im Juli 2014 errang sie den Juniorinnen-Titel im Einzelzeitfahren. Im selben Jahr errang sie bei den Bahn-Europameisterschaften der Junioren im Velódromo Nacional im portugiesischenSangalhos die Silbermedaille im Punktefahren. Zwei Wochen später wurde sie im südkoreanischenGwangmyeongJunioren-Vizeweltmeisterin in der Einerverfolgung. Im Omnium lag sie vor dem abschließenden Punktefahren auf dem aussichtsreichen vierten Rang, als sie in einen Sturz verwickelt wurde und das Rennen wegen eines Schlüsselbeinbruchs aufgeben musste.[2]
Im Juli 2021 gewann Lisa Klein die Baloise Ladies Tour. Bei den Olympischen Spielen in Tokio startete sie in der Mannschaftsverfolgung und gewann mit Franziska Brauße, Lisa Brennauer und Mieke Kröger die Goldmedaille. Während des olympischen Wettbewerbs stellte der deutsche Frauen-Vierer drei Mal hintereinander einen neuen Weltrekord auf und konnte letztlich den bestehenden Rekord des britischen Vierers von den Olympischen Spielen 2016 in Rio de Janeiro um rund sechs Sekunden auf 4:04,249 Minuten verbessern.[5] Im Herbst des Jahres wurde Klein mit der deutschen Mannschaft Weltmeisterin in der Mixed-Staffel. Beim Lauf des UCI Track Cycling Nations’ Cup 2022 in Glasgow gewann sie gemeinsam mit Mieke Kröger, Franziska Brauße und Laura Süßemilch den Wettbewerb in der Mannschaftsververfolgung, ebenfalls bei den Bahn-Europameisterschaften (mit Brauße, Brennauer und Kröger). 2023 errang sie gemeinsam mit der deutschen Nationalmannschaft die Bronzemedaille bei den Straßenweltmeisterschaften in der Mixed-Staffel.
Im September 2024 gab Klein bekannt, dass sie ihren Vertrag beim UCI Women’s WorldTeamLidl-Trek zum Ende der Saison auflösen werde. Sie habe im laufenden Jahr mit Krankheit zu kämpfen gehabt, und auch die häufigen Abwesenheiten von zuhause machten ihr zu schaffen. Sie will mit dem Radsport nicht aufhören, aber sich in Zukunft auf den Bahnradsport konzentrieren.[6]
2021 wurde Lisa Klein als Mitglied des Bahn-Vierers gemeinsam mit Franziska Brauße, Lisa Brennauer, Mieke Kröger und Laura Süßemilch zur Mannschaft des Jahres gekürt.[13]