Iniciou sua carreira no PSTC, clube da cidade de Londrina e, em seguida, passou às categorias de base do Atlético Paranaense.

Sua estreia no time principal do Atlético aconteceu em 1999, um ano depois de sua chegada no clube. Participou das conquistas dos Paranaenses de 2000, 2001 e 2002 (Supercampeonato), além do título inédito no Campeonato Brasileiro de 2001. Atuou como lateral direito, volante, meio-campista e, até mesmo, atacante móvel, recebendo a Bola de Prata da Revista Placar como um dos melhores meias do campeonato.

Suas destacadas atuações no Atlético o levaram à Seleção Brasileira, no ano seguinte, a tempo de ser incluído entre os vinte e três convocados por Luiz Felipe Scolari para a Copa do Mundo de 2002. Inicialmente, na reserva, o jovem ganhou espaço nas fases decisivas, principalmente após fazer a jogada do segundo gol brasileiro nas oitavas-de-final, na dura partida contra a Bélgica. Kléberson voltou a se destacar na final: além de novamente ter feito a jogada do segundo gol brasileiro, ele quase abriu o placar no primeiro tempo, arriscando um chute de fora da área que venceu Oliver Kahn, mas bateu no travessão.

O ambiente com jogadores consagrados e enriquecidos no futebol europeu mexeu com ele, que, como todo o time atleticano, não repetiu o mesmo desempenho no Campeonato Brasileiro de 2002, sequer classificando-se entre os oito primeiros. O projeto do time em vendê-lo o mais rápido possível por 15 milhões de dólares após a Copa fracassou; o futebol europeu estava em retração financeira e nenhum clube se dispôs a pagar a quantia desejada pelo Atlético; para piorar, eventuais negociações foram atrapalhadas por empresários que tentaram atravessá-las, bem como desacordos entre o Atlético e o PSTC, que detinha 50% do passe de Kléberson. Tudo isso influenciou em sua queda de rendimento, o que provocou desgastes com diretoria e torcida.

O desejo de jogar na Europa o fez negar proposta do Corinthians para disputar a Taça Libertadores da América de 2003; em janeiro daquele ano, recebera propostas das equipes inglesas do Leeds United e Newcastle United, nenhuma delas aceita por Atlético e PSTC. O Newcastle continou insistindo por Kléberson, que tinha em Gilberto Silva, de quem tornara-se amigo na Copa, um representante não-oficial de seus interesses no futebol inglês (Gilberto passava por grande momento no Arsenal).

No meio do ano, finalmente o jovem acertou com uma equipe da liga inglesa, o poderoso Manchester United, onde ele tornou-se o primeiro brasileiro. Alex Ferguson pediu por ele na procura por um substituto para o argentino Juan Sebastián Verón, que havia saído para o Chelsea. Kléberson foi apresentado oficialmente nos Red Devils juntamente com Cristiano Ronaldo, recém-comprado do Sporting Lisboa. Devido ao idioma, Ronaldo foi o colega de quarto e primeiro amigo de Kléberson na equipe.

Todavia, o brasileiro não se firmou, alternando bons e maus momentos devido a constantes lesões. Em 2005, sem conseguir espaço, acabou vendido ao Beşiktaş, da Turquia.

Dois anos mais tarde, retornou ao Brasil, de contrato assinado com o Flamengo. Porém, em virtude de discordâncias entre o jogador e o clube turco, a FIFA somente liberou-o para atuar pelo Flamengo, a partir de 2008.

Depois de 5 anos sem ser convocado pela Seleção Brasileira, Kléberson voltou a ser convocado, em 2009, para a Copa das Confederações, substituindo Anderson, que foi cortado por uma lesão. Neste mesmo ano, Kléberson ajudou o Flamengo a conquistar o campeonato carioca, sendo tricampeão pela 5ª vez. Na final Kléberson marcou os 2 gols no empate em 2 a 2 com o Botafogo, no Maracanã.

No dia 12 de agosto de 2009 Kléberson sofreu uma luxação no ombro direito defendendo Seleção Brasileira em um amistoso contra a Estônia. Voltou aos gramados em novembro de 2009 e participou da conquista do campeonato brasileiro de 2009 pelo Flamengo.

Em 9 de fevereiro de 2010, foi convocado para atuar em um amistoso pela Seleção Brasileira, contra a Irlanda, último jogo oficial antes da Copa do Mundo de 2010.

No dia 11 de maio de 2010, Kleberson fez-se presente na lista de 23 jogadores convocados para defender o Brasil na Copa do Mundo da África do Sul.