Jusqu'en 1925, Velocette ne propose que des 220 ou 250 deux temps bien sages. Le premier moteur à quatre temps de la marque est dessiné en 1924 par Percy Goodman, fils de John Goodman, fondateur de Veloce ltd et fabricant des Velocette. Pour cette première, Velocette ne fait pas les choses à moitié en présentant à l'Olympia Show à l'automne 1924 une 350 équipée de soupapes en tête et d'une distribution par simple arbre à cames en tête avec une commande sur le côté droit par arbre et couple conique. C'est le début de la série K. Ces côtes de 74 x 81 mm ne sont pas choisies au hasard, puisqu'elles sont déjà utilisées avec succès, entre autres, par AJS, JAP et Calthorpe. Cylindre et culasse sont en fonte, la chambre de combustion est hémisphérique et les soupapes à l'air libre sont rappelées par deux ressorts. La lubrification est à huile perdue, avec une pompe installée en bout d'arbre à cames. L'huile, après avoir graissé la distribution, descend via le canal de la commande d'ACT dans le bas moteur. Ce dernier, secondé d'une boîte à 3 vitesses, est monté dans un cadre double berceau interrompu dont les deux tubes avant sont très resserrés, à cause des carters moteur très étroit. La K est équipée d'une fourche à parallélogramme type Druid à ressorts latéraux. 

Velocette engage 3 motos au Tourist Trophy 1925 en catégorie Junior, mais 3 abandons mettent en lumière des problèmes de lubrification qui poussent la marque à revoir sa copie rapidement. Le moteur est modifié et une pompe à double engrenage, entraînée par la même chaîne que la magnéto, remplace avantageusement le système précédent. Le graissage est maintenant à carter sec et un réservoir d'huile est ajouté sous la selle. La première KSS, modèle Super Sport, apparaît en septembre 1925 et va assurer une grosse partie des ventes de Velocette pendant 15 ans. Par rapport à la K, l'arbre à cames est différent et le rapport de compression passe de 6:1 à 7:1, voire 8:1 pour une utilisation à l'alcool. Pour la partie cycle, entre autres modifications, la KSS perd son porte-bagage, gagne une fourche Webb Deluxe, des garde-boues plus fins et des pneus plus gros 3 x 21" au lieu de 2,75". Le gain en vitesse est de 16 km/h. Velocette a visé juste, Alec Bennett remporte le Junior TT en 1926 avec 10 min d'avance sur le second. Il finit deuxième en 1927 avant une nouvelle victoire en 1928. Les résultats sportifs de 1926 remplissent les carnets de commandes, et Velocette déménage dans une usine plus grande à York Road, Hall Green. La KSS adopte le réservoir en selle en 1927. Pour assagir un peu le moteur, le taux de compression est abaissé à 6,5:1 et l'arbre à cames est modifié en 1931. Depuis 1928, c'est la KTT qui est chargée d'apporter le succès à Velocette en compétition. Le fameux pot d'échappement "Fish Tail" (en queue de poisson) apparaît en 1932. En 1933, une boite à 4 vitesses avec sélecteur au pied est proposée en option, puis devient standard en 1934. 

Entre 1925 et 1930, les modèles K se multiplient : KSS, KT (Touring), KE (Economy), KES (Economy Sport), KN (Normal), KNS (Normal Sport), KS (Sport), KTP (Twin Port) et bien sûr KTT, mais le gros des ventes est assuré par la KSS. En 1929, par exemple, un peu plus de 700 KSS sont écoulées sur un total de 1900 motos produites. La KSS, qui ne s'est jamais appelée Mk I du temps de son vivant, est revue en profondeur pour 1936. Le nouveau moteur, avec une distribution enclose et un ailetage plus important, a pris du volume et il est installé de la cadre de la 500 MSS. Elle adopte alors le nom de KSS Mk II jusqu'à la fin de sa commercialisation en 1948. Tous modèles K confondus, hors KTT, presque 11 000 motos sont sorties des usines Velocette.