In der Jugend begann er beim AS Monaco. Im Jahr 2000 wechselte der Rechtshänder zum TSV Bayer Dormagen, wo er unter anderem von seinem Vater Pascal, Handball-Weltmeister 1995, trainiert wurde.[4] Ab der Saison 2008/09 wurde Mahé in der Bundesligamannschaft eingesetzt. Ab der Spielzeit 2011/12 spielte er beim VfL Gummersbach.[5] 2012 erreichte er das Finale im Europapokal der Pokalsieger. Im Sommer 2013 wechselte Mahé zum HSV Hamburg,[6] den er nach zwei Spielzeiten verließ und im Juni 2015 bei der SG Flensburg-Handewitt einen Dreijahresvertrag unterschrieb.[7] Mit Flensburg gewann er 2018 die deutsche Meisterschaft. Ab dem Sommer 2018 lief er für den ungarischen Verein KC Veszprém auf.[8] Mit Veszprém gewann er 2019, 2023 und 2024 die ungarische Meisterschaft und erreichte 2019 das Finale der EHF Champions League. Dreimal triumphierte er mit den Ungarn in der SEHA-Liga.
Nach der Saison 2023/24 kehrte er zum VfL Gummersbach zurück.[9]
Bei der Junioren-EM 2010 in Bratislava wurde Mahé Most Valuable Player und zusammen mit seinem späteren Mitspieler bei Veszprém Gašper Marguč bester Torschütze des Turniers (beide 49 Tore).[10] Im Oktober 2010 wurde Mahé zum ersten Mal in das Aufgebot der französischen Nationalmannschaft berufen. Er stand im erweiterten Aufgebot zur Europameisterschaft 2014.[11] Bei der Weltmeisterschaft 2015 wurde er Weltmeister, wobei er im Finale ein Tor erzielte.[12] Dadurch wurden Kentin und Pascal Mahé das erste Vater-Sohn-Duo, das mindestens je einen Handball-Weltmeistertitel gewonnen hat.[13] Bei den Olympischen Spielen 2016 in Rio de Janeiro gewann er die Silbermedaille. 2017 gewann er zum zweiten Mal den WM-Titel. Bei der WM 2019 gewann er die Bronzemedaille,[14] bei der WM 2021 unterlag er im Spiel um Platz 3 gegen Spanien. Mit Frankreich gewann er bei den Olympischen Spielen in Tokio die Goldmedaille.[15] Bei der Weltmeisterschaft 2023 gewann er mit Frankreich die Silbermedaille. Bei der Europameisterschaft 2024 gewann er mit Frankreich die Goldmedaille, dabei kam er in acht Spielen zum Einsatz und warf 21 Tore.[16]