Kleene wuchs auf der Farm seines Großvaters in Maine auf (die er auch später übernahm) und studierte am Amherst College (Abschluss 1930 „summa cum laude“). 1934 wurde er an der Princeton University bei Alonzo Church promoviert mit „A Theory of Positive Integers in Formal Logic“. Nach kurzer Lehrtätigkeit in Princeton ging er 1934 an die University of Wisconsin in Madison, wo er 1937 Assistenzprofessor und 1948 Professor wurde und bis zu seiner Emeritierung 1979 blieb. 1942 bis 1946 war er Offizier in der US Navy.
Kleene trug wie sein Lehrer Church zur Entwicklung der Theorie der rekursiven Funktionen bei, die von Church in seinem Lambda-Kalkül formalisiert wurden (später in der Programmiersprache Lisp verwandt). Kleene untersuchte in seiner Dissertation insbesondere Churchs Behauptung, dass sein Lambda-Kalkül alle „berechenbaren“ Funktionen liefert, wobei er allgemeinere rekursive Funktionen untersuchte, für die er einen Normalform-Satz bewies. Er fand mehrere Stufen der Berechenbarkeit wie z. B. bei partiell rekursiven Funktionen. Er führte auch eine „arithmetische Hierarchie“ und eine „hyperarithmetische Hierarchie“ für Prädikate ein. 1938 veröffentlichte er einen Fachartikel über das von ihm entwickelte dreiwertige Logiksystem K3.[1] 1954 schrieb er mit Emil Post eine Arbeit über Grade der Unlösbarkeit von mathematischen Problemen.[2]
mit Richard Eugene Vesley: The Foundations of Intuitionistic Mathematics. Especially in Relation to Recursive Functions. North-Holland, Amsterdam 1965.
Mathematical Logic. Wiley, New York NY u. a. 1967.