تخرج خالد محيي الدين في الكلية الحربية عام 1940، وفي 1944 أصبح أحد أفراد "تنظيم الضباط الأحرار" والذين ثاروا على فساد الملك بأمر من الشعب عام 1952، وكان وقتها برتبة صاغ، ثم أصبح عضوا في مجلس قيادة الثورة.
وسعي "محيي الدين" للحصول على بكالوريوس التجارة عام 1951 كما سعى الكثير من الضباط الأحرار للحصول علي درجة علمية في هذا الوقت وبالرغم من العلاقة القوية التي كانت تربطه بين الزعيم جمال عبد الناصر و"الصاغ" الا أنه نشب خلاف بينهما على إثر الأمر الذي أصدره الصاغ عام 1954 إلى العودة لثكناتهم العسكرية، مما أدى إلى إبعاده إلى سويسرا لمدة 3 سنوات.
وعند عودته إلى مصر اتجه الي الحياة السياسية كما اهتم بالمجتمع والإعلام والصحافة ويتمثل ذلك فى ترشحه لانتخابات مجلس الأمة عن دائرة كفر شكر عام 1957 وفاز في تلك الانتخابات، ثم أسس أول جريدة مسائية في العصر الجمهوري وهي جريدة المساء، وشغل منصب أول رئيس للجنة الخاصة التي شكلها مجلس الأمة في مطلع الستينات لحل مشاكل أهالي النوبة أثناء التهجير.
كما تولى "خالد محيي الدين" رئاسة مجلس إدارة ورئاسة تحرير دار أخبار اليوم، خلال عامي 1964 و1965، وهو رئيس منطقة الشرق الأوسط وأحد مؤسسي مجلس السلام العالمي، ورئيس اللجنة المصرية للسلام ونزع السلاح.
وخلال مسيرته، حصل خالد محيي الدين على جائزة لينين للسلام عام 1970، كما حصل من الرئيس المؤقت بعد ثورة 30 يونيو 2013 المستشار عدلي منصور، على قلادة النيل، وهي أرفع وسام مصرية.
نشر مذكراته في كتاب بعنوان "الآن أتكلم"، والتي روى خلالها علاقته بجماعة الإخوان وتطورها بعد ان كان متعاطفا معهم الي أن اكتشف نواياهم السياسية الخبيثة.
ويذكر أن زكريا محيي الدين مؤسس جهاز المخابرات العامة المصرية، ابن عم خالد محيي الدين.
