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 Flying Rhythms, Adoration, Colours in Motion, Shanghai Skyscrapers, Sunrise, Song 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 2023 gehört die Eröffnung des neuen Zyklus' der Stiftsmusik, der dem gesamten geistlichen Vokalwerk und Orgelwerk von Felix Mendelssohn Bartholdy gewidmet ist, und zwar im Rahmen eines Motetten-Konzerts des solistenensembles stimmkunst im September. Im November folgt das Oratorium Paulus mit der Stuttgarter Kantorei. Ferner dirigierte Kay Johannsen im Februar Händels Messiah zum 20-jährigen Bestehen des solistenensembles stimmkunst und am Karfreitag das Requiem von Brahms. Bei seinen zahlreichen Orgelkonzerten im In- und Ausland würdigt er unter anderem den Jubilar Max Reger. Zu diesem Thema gestaltete er im Mai auch ein Lecture-Recital bei der Orgelakademie der Musikhochschule Stuttgart. Im selben Monat gab er einen Orgelkurs an der Musikhochschule Mainz.   

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