Hellen Obiri lors des championnats du monde en salle 2012.
Elle se révèle en début de saison 2012 lors des championnats du monde en salle d'Istanbul en s'adjugeant la médaille d'or du 3 000 m, devant les Éthiopiennes Meseret Defar et Gelete Burka, dans le temps 8 min 37 s 16[1]. En , elle descend pour la première fois de sa carrière sous les 4 minutes au 1 500 m en établissant le temps de 3 min 59 s 68 lors du Golden Gala de Rome. Elle participe aux Jeux olympiques de 2012, à Londres, et se classe douzième et dernière de la finale du 1 500 m mais est reclassée en 2015 à la 9e place à la suite de nombreux tests antidopage positifs[2].
En 2013, elle porte ses records personnels en plein air du 1 500 m à 3 min 58 s 58 à Eugene, et du 3 000 m à 8 min 34 s 25 à Stockholm. Lors des Championnats du monde 2013 de Moscou, Hellen Obiri remporte la médaille de bronze du 1 500 m dans le temps de 4 min 3 s 86, devancée par la Suédoise Abeba Aregawi et l'Américaine Jennifer Simpson[3].
Début 2017, Hellen Obiri remporte le World Indoor Tour sur 3 000 m, grâce à ses victoires à Boston et au Birmingham Indoor Grand Prix, et à sa seconde place à Karlsruhe[7]. Le 8 juin, elle s'impose lors du meeting de la Ligue de diamant de Rome en 14 min 18 s 37, devenant ainsi la 5e performeuse de tous les temps sur le 5 000 m[8]. A Londres le 13 août, elle devient pour la première fois de sa carrière championne du monde du 5 000 m après avoir placé une accélération fulgurante dans le dernier tour, devançant la championne du monde en titre Almaz Ayana et la Néerlandaise Sifan Hassan[9].
Elle se classe 5e des championnats du monde 2019 à Doha sur 10 000 m en 30 min 35 s 82, record personnel[10], puis conserve son titre planétaire sur 5 000 m[6] en établissant un nouveau record des championnats du monde en 14 min 26 s 72, devant sa compatriote Margaret Kipkemboi et l'Allemande Konstanze Klosterhalfen[11].