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, Leiter der Stunde der Kirchenmusik und des Zyklus’ Bach:vokal 2011-2021. Seit 2021 ist er außerdem 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 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, Erfurt, Freiburg, Luzern, Bern, Zürich, Genf, Lausanne, Paris, Strasbourg, Moskau, Kiew, Boston/MA, Mexiko City, Havanna oder Nairobi. 

Zu seinen Projekten 2021 gehören die Aufführung von rund 25 Kantaten und des Weihnachtsoratoriums sowie der Kunst der Fuge in der Fassung für Kammerorchester im Finaljahr des 10-Jahres- Zyklus' Bach:vokal, ein Konzert mit Mozarts Requiem in Stuttgart, Auftritte als Orgelsolist unter anderem im Moscow International Performing Arts Center (Svetlanov-hall) an der größten Konzertsaalorgel Russlands sowie die Rückkehr als Dirigent zu Chor und Orchester der Accademia del Santo Spirito in Turin für ein Konzert mit der Johannespassion von Bach. Sein Auftritt als Dirigent beim Bach-Festival in Jekaterinburg sowie seine 6. China-Reise als Orgelsolist wurden wegen der Corona-Pandemie auf 2022 verschoben. 

Auf seinem stark frequentierten YouTube-Channel Kay Johannsen sind über 350 Videos mit Orgel- und Ensemblemusik sowie eigenen Improvisationen und Kompositionen zu sehen.