En première année, avec les Cardinals de Louisville, Harrell cumule des moyennes de 5,7 points et 3,6 rebonds en 16,2 minutes par match. Il finit bien la saison, marquant 20 points lors de la victoire des Cardinals à Syracuse. Dans son rôle de remplaçant, Harrell contribue à l'obtention du titre NCAA en 2013.
À l'intersaison, le Sporting News sélectionne Harrell dans la l'équipe All-American Basketball de son magazine. Harrell reste pour sa seconde saison à Louisville au lieu d’opter pour la NBA.
Au cours de la saison 2014-2015, Harrell réalise des moyennes de 15,7 points et 9,2 rebonds par match et reçoit le Karl Malone Award.
Carrière professionnelle
Rockets de Houston (2015-2017)
Le , Harrell est sélectionné en 32e position par les Rockets de Houston lors de la draft NBA 2015 et le , il signe un contrat de 3 ans avec ces derniers.
Il fait ses débuts le avec les Rockets dans la défaite face aux Nuggets de Denver (105-85) en inscrivant 8 points et en captant 3 rebonds. Deux jours plus tard il marque 17 points dans une nouvelle défaite face aux Warriors de Golden State. Il joue son premier match en tant que titulaire le face aux Nuggets de Denver. Au cours de sa saison rookie, il fait de multiples apparitions aux Vipers de Rio Grande Valley, l'équipe affiliée des Rockets au sein de la NBA D-League.
Le 30 décembre 2016, il bat son record de points en carrière avec 29 points dans une victoire 140-116 contre les Clippers de Los Angeles[2]. Le 8 janvier 2017, il marque 28 points en 26 minutes, en sortie de banc, dans une victoire 129-122 contre les Raptors de Toronto.
Le , il re-signe avec les Clippers pour une durée de 2 ans[4].
Le 26 octobre 2018, il inscrit 30 points en sortie de banc, battant son record en carrière, dans une victoire 133-113 contre les Rockets[5]. Le 25 février 2019, il réalise un nouveau record en carrière avec 32 points dans une victoire 121-112 contre les Mavericks de Dallas.
Le , son apport en sortie de banc est récompensé par le trophée du meilleur sixième homme de la ligue, le NBA Sixth Man of the Year Award. Le trophée lui est remis par le double tenant du titre, Lou Williams, son coéquipier des Clippers[1].
Lakers de Los Angeles (2020-2021)
À l'intersaison, il signe pour un contrat de 19 millions sur deux ans avec les Lakers de Los Angeles[6].
Après sa déchirure au genou droit, Harrell ne retrouve pas de place en NBA et part jouer en Australie pour les Adelaide 36ers en tant que remplaçant de Jarell Martin, blessé[12].