Il entre en 1981 chez Renault comme Ingénieur de mise au point à la Direction des Moteurs. Il prend ensuite différentes responsabilités au sein de cette Direction, jusqu’en 1992, lorsqu’il est nommé Secrétaire Exécutif du Président.

En 1994, il rejoint la Direction de la Mécanique comme Chef du Département Mise au Point et Contrôle Moteur, puis en 1998 la Direction du Développement de l’Ingénierie Véhicule, en tant que Directeur de la Qualité des Processus. De 1999 à 2003, suite a la création de l'Alliance entre Renault et Nissan, il rejoint Nissan à Tokyo en tant que Vice Président en charge du CEO Office.

De 2003 à 2005, de retour chez Renault, il est nommé Directeur de la Performance du Système Industriel, puis en 2005, Directeur, Délégué à la Présidence, membre du Comité de Direction Renault.

En mars 2007, il retourne chez Nissan à Tokyo comme Senior Vice Président en charge du CEO/COO Office et Corporate Administration.

Le 1er septembre 2008, Philippe Klein est nommé Directeur Général Adjoint et Directeur du Plan, du Produit et des Programmes.