미국 세인트루이스에서 태어났고, 워싱턴 대학교를 졸업하였다. 1930년대 가수로서 활동을 시작했으며, 1940년대에는 MGM이 상연한 수많은 뮤지컬의 연출을 맡기도 했다. 작사가, 작곡가, 가수 뿐만 아니라 배우로도 활동하였다. 뉴욕 플라자 호텔에서 생활하는동안 친구들에게 재미로 들려주기 시작한 못말리는 말괄량이 뉴요커, 깜찍한 7세 소녀 엘로이즈의 이야기는 1956년에 그림 작가 힐러리 나이트를 통해 생생한 캐릭터로 세상에 알려지기 시작했다. 이것을 계기로 케이 톰슨은 일약 가장 주목할 만한 작가가 되었으며, 엘로이즈의 선풍적인 인기는 뉴욕 플라자 호텔을 뉴욕의 랜드마크로 자리마김하게 만들었다. 그 후로 편곡 등의 음악 활동을 하다가 1998년 뉴욕에서 사망하였다. 대표 작품으로 『엘로이즈』『엘로이즈, 모스크바에 가다』『엘로이즈의 크리스마스 소동』『엘로이즈의 목욕소동』등이 있다.