Il 27 aprile 2012, Osemele fu scelto nel corso del secondo giro del Draft 2012 dai Baltimore Ravens[1]. La sua stagione regolare si concluse giocando come titolare tutte le 16 partite. I Ravens nei playoff eliminarono nell'ordine Indianapolis Colts, Denver Broncos e New England Patriots. Il 3 febbraio 2013, Kelechi partì come titolare nel Super Bowl XLVII contribuendo alla vittoria dei Ravens sui San Francisco 49ers per 34-31, laureandosi per la prima volta campione NFL[2][3]. Nella stagione successiva disputò sette partite, tutte come titolare.
Oakland Raiders
Divenuto free agent, l'8 marzo 2016 Osemele firmò con gli Oakland Raiders[4]. A fine stagione fu convocato per il primo Pro Bowl in carriera e inserito nel First-team All-Pro[5][6].
^(EN) "Baltimore Ravens 2012 Draft Grades", su footballfanspot.com. URL consultato il 25 giugno 2012 (archiviato dall'url originale il 4 dicembre 2013).