Kay Johannsen studierte in Freiburg sowie in Boston/MA als Stipendiat der Studienstiftung des Deutschen Volkes sowie der Bruno Walter Memorial Foundation, New York. Seit 1994 ist er Stiftskantor und -organist in Stuttgart und leitet die Stunde der Kirchenmusik. Seit 2021 unterrichtet er außerdem als Dozent für Orgel an der Hochschule Luzern - Musik. 

Er gewann den Preis des Deutschen Musikwettbewerbs 1988 (Orgel) sowie mit der von ihm gegründeten Stuttgarter Kantorei 1. und 2. Preise beim Deutschen Chorwettbewerb (Kiel 2006, Weimar 2014, Freiburg 2018). Seit vielen Jahren ist er Juror beim Deutschen Musikwettbewerb.

Rund 30 Orgel- und Ensemble-CDs mit Werken von Bach, Mendelssohn, Brahms, Franck, Reger, Widor und Vierne sind bei Carus, hänssler classic, Animato und ars musici erschienen, Kompositionen bei Carus, Schott, Strube, Helbling und Norsk. Seine CDs Sunrise und Rejoice (Carus 2017, 2018) enthalten ausschließlich eigene Kompositionen für Orgel, Orgel und Orchester sowie für Chor a cappella bzw. mit verschiedenen Instrumenten. Seine jüngsten Orgelkompositionen sind Adoration, Colours in MotionShanghai Skyscrapers, SunriseSong of Hope und The Great Wall, außerdem das Concerto for organ, strings and percussion und Entre nous für Orgel und Marimba. Für große Besetzungen schrieb er zahlreiche Werke wie das Schlagzeugkonzert, die Orgeloper Nachtbus oder 2017/18 das Oratorium Credo in Deum, das 2019 beim Label Animato erschienen ist.

Orgelkonzerte und Gastdirigate führen ihn seit vielen Jahren in alle Welt, etwa in große Konzertsäle in Berlin, Frankfurt, Stuttgart, Nürnberg, Zürich, St. Petersburg, Samara, Jekaterinburg, Moskau, Beijing, Shanghai, Qingdao, Seoul, Tokio und viele mehr, außerdem in unzählige Kathedralen und Dome wie jene in Köln, München, Hamburg, Berlin, Dresden, Leipzig, Erfurt, Freiburg, Luzern, Bern, Zürich, Genf, Lausanne, Paris, Strasbourg, Moskau, Kiew, Boston/MA, Mexiko City, Havanna oder Nairobi. 

Zu seinen Projekten 2022 gehören auch nach dem Abschluss des Zyklus' Bach:vokal 2011-2021 die Aufführungen Bachscher Vokalwerke (Messe h-Moll, Weihnachtsoratorium I-VI, zwei Bach:vokal-Nachholkonzerte mit sechs Kantaten), Auftritte als Orgelsolist unter anderem bei Festivals in Leipzig (Nikolaikirche), Magdeburg (Dom), Straßburg und Palma de Mallorca. Beim Deutschen Musikwettbewerb in Köln ist er Mitglied der Jury Orgel. 

Auf seinem stark frequentierten YouTube-Channel Kay Johannsen sind über 450 Videos mit Orgel- und Ensemblemusik sowie eigenen Improvisationen und Kompositionen zu sehen.