Klaus Hellenstein studierte Malerei an der Staatlichen Akademie der Bildenden Künste Stuttgart und arbeitete als Assistent des Bühnen- und Kostümbildners Jürgen Rose. Eigene Arbeiten entstanden für John Neumeier u. a. für »Josephs Legende« (Bayerische Staatsoper 1980), »Amleth« (Königl. Theater Kopenhagen 1985), »Fenster zu Mozart« (Hamburgische Staatsoper 1991), »Wie es euch gefällt« (Staatsoper Wien 2004). Als Ausstattungsleiter wirkte er 1983–1986 am Werkraum der Münchner Kammerspiele, 1987–1994 am Ulmer Theater. Seit 1994 freischaffend tätig, realisierte er Arbeiten u. a. am Staatstheater Hannover, Landestheater Bregenz, Badischen Staatstheater Karlsruhe, an der Opera Ireland, Nationaloper Athen, dem Theater Lübeck, den Münchner Kammerspielen und Opernfestspielen Heidenheim.