קיין היה הבן החמישי מבין שמונה של מייקל קיין ופרנסס לוך מהעיר מלו במחוז קורק שבאירלנד. אביו, שמוצאו היה אנגלי, שרת בחיל הפרשים הבריטי עד שחרורו (1801), ואז היגרה המשפחה לאירלנד. במועד לא ידוע בין השנים 1819–1822 היגרה המשפחה לקנדה, והתיישבה בעיר יורק (ששינתה את שמה לטורונטו במרץ 1834), שם פתח אביו של קיין חנות לממכר משקאות חריפים.
מעט ידוע על שנותיו הראשונות של קיין ביורק. הוא רכש השכלה מכללתית ב"אפר קנדה קולג'", שם גם למד ציור בהדרכת הצייר תומאס דרורי (1830). ביולי 1834 השתתף בתערוכה הראשונה (והיחידה) בחייו, במסגרת "אגודת האמנים והחובבנים בטורונטו", ונהנה מביקורת אוהדת בעיתון מקומי. קיין לא מצא את פרנסתו בציור. הוא עבד כצייר שלטים ורהיטים בטורונטו, ובשנת 1834 עקר לקובורג שבאונטריו, שם עבד במפעל לייצור רהיטים וצייר בשעות הפנאי. בשנת 1836 עבר קיין לדטרויט במישיגן שבארצות הברית. בעידודו של ידידו, האמן האמריקני ג'יימס באומן, השתכנע קיין כי כדי להפוך לצייר עליו לצאת למסע לימוד באירופה. בשל חסרון כיס, לא יכול היה קיין לממש את התוכנית באותה עת, ואילו באומן נישא זמן קצר לאחר מכן ולא רצה לעזוב את משפחתו. בחמש השנים הבאות נדד קיין ברחבי המערב התיכון, כשהוא מוצא את פרנסתו בציור דיוקנאות, עד שהגיע לניו אורלינס.
קיין נטל הלוואות וחסך כסף שדי היה בו לממן את המסע לאירופה, וביוני 1841 הפליג מניו אורלינס למרסיי שבצרפת. חסכונותיו לא הספיקו כדי לממן לימודי אמנות או הכשרה אמנותית מסודרת, וקיין בחר לנדוד ברחבי אירופה ולהתלמד בהעתקת ציורים במוזיאונים. עד סתיו 1842 שהה באיטליה, ומשם המשיך לפריז. בהגיעו ללונדון פגש בצייר האמריקני ג'ורג' קאטלין, שעסק בציורי אינדיאנים על רקע נופי הערבות באמריקה. קאטלין עסק אותה עת בקידום מכירות של ספרו "מכתבים והערות אודות הגינונים, המנהגים, ותנאי החיים של האינדיאנים בצפון אמריקה". קיין התרשם מטענותיו של קאטלין, שתרבותם של האינדיאנים הצפון-אמריקנים הולכת ונעלמת ויש לתעדה בטרם תשכח לחלוטין, והחליט לתעד את חייהם של עמי הילידים בקנדה.
עם שובו לאמריקה בתחילת שנת 1843 הקים קיין סטודיו פרטי בעיר מוביל באלבמה שבארצות הברית, ועמל בציור דיוקנאות, כדי להשיב את הכספים שלווה לצורך הנסיעה לאירופה. בסוף שנת 1844 או בתחילת שנת 1845 שב לטורונטו והחל בהכנות למסע למערב.
המסע בצפון-מערב קנדה.
ב-17 ביוני 1845 יצא קיין לביקור בשמורה של שבט "סאוג'ין", כנקודה ראשונה במסע רישום לאורך חופיהן הצפוניים של הימות הגדולות. לאחר מספר שבועות, בקיץ 1845, הגיע לעיר סו סנט מארי שבין ימת סופיריור וימת יורון. קיין ביקש להמשיך במסעו מערבה, אך ג'ון באלנדן, מפקידיה המנוסים של "חברת מפרץ הדסון", פרש בפניו את הסכנות והקשיים הכרוכים במסע כזה, וייעץ לו לבקש את עזרתה ותמיכתה של החברה, שהייתה מאז 1821 בעליהם של כל השטחים ממערב לחמשת האגמים ועד לאוקיינוס השקט ואורגון. באדמות פרא אלו היו כמאה נקודות מסחר מבודדות לאורך נתיבי סחר הפרוות. קיין שב לטורונטו ויצר תמונות שמן המבוססות על ציוריו בשמורה. באביב 1846 פנה למשרדי "חברת מפרץ הדסון" בעיר לשין (כיום חלק ממונטריאול) וביקש מאחד ממנהליה לתמוך בתוכניות המסע שלו. המנהל, , התרשם מכישורי הרישום של קיין, אך חשש ליכולתו לעמוד בקשיי המסע עם אנשי החברה. הוא העניק לקיין אישור לשוט בסירות הקאנו של החברה רק עד אגם ויניפג, והבטיח לו כי אם יעמוד בתלאות המסע עד שם, יעניק לו אישור מעבר מערבה משם. סימפסון גם הזמין מקיין ציורים המתעדים את חיי האינדיאנים, וקבע במדויק מהם הנושאים הרצויים לו ולחברה.
הדרך מערבה.
ב-9 במאי 1846 הפליג קיין מטורונטו אל לשין, כדי להפליג עם קבוצת שייטי קאנו לסו סנט מארי. הוא איחר לעלות על הספינה ונאלץ להשיגה בשיט בקאנו. כאשר הגיע ללשין גילה כי גם קבוצת שייטי הקאנו יצאה לדרכה, וכדי להשיגם עלה על אוניית מפרש לפורט ויליאם שבמפרץ ת'נדר. הוא הצליח להשיג את שייטי הקאנו ב-24 במאי. ב-4 ביוני הגיע קיין לפורט פרנסס, שם המתין לו אישור המעבר המיוחל מסימפסון. הוא המשיך ליישוב רד ריבר (היום קרוב לעיר ויניפג), ומשם יצא במסע רכוב עם חבורה גדולה של ציידי ביזונים, עמם נטל חלק באחד ממסעות הציד הגדולים האחרונים של הביזון האמריקאי, שבתוך כמה עשרות שנים ניצבה בסכנת הכחדה.
עם שובו ממסעו עם ציידי הביזונים המשיך במסע בקאנו ובמפרשיות דרך נורווי האוס, גרנד רפיד והעיירה דה פה שבמעלה נהר ססקצ'ואן - עד פורט קרלטון. משם המשיך רכוב על סוס עד פורט אדמונטון. ב-6 באוקטובר 1846עזב את אדמונטון ופנה לפורט אסיניבוין, ושם הצטרף בשנית לשייטי קאנו שהפליגו בנהר אתאבסקה עד ג'ספר האוס. בג'ספר האוס הצטרף לחבורה רכובה. זמן קצר אחרי היציאה למסע התברר כי השלג במעבר אתאבסקה עמוק מדי למעבר סוסים, והחבורה המשיכה במסעה ברגל, וחברה לקבוצת שייטי קאנו שהשיטה אותם במורד נהר קולומביה.
בארץ אורגון.
בדצמבר 1846 הגיע קיין לפורט ונקובר, שהייתה נקודת המנהל והסחר המרכזית של חברת מפרץ הדסון ושהה בה בעונת החורף, כשהוא מסייר אצל שבטי אינדיאנים באזור, כמו שבט צינוקאן, ויוצא למסעות באזור. בתחילת אביב 1847 יצא קיין בסירת קאנו לפורט ויקטוריה, שהוקמה זמן קצר לפני כן והייתה המטה החדש של חברת מפרץ הדסון. עם הגיעו לשם יצא לסיורים השבטים שחיו באזור הר סיינט הלנס ויצר רישומים מחיי האינדיאנים באי ונקובר, במצר חואן דה-פוקה ובמצר ג'ורג'יה. הוא חזר לפורט ונקובר באמצע יוני, וביולי שב מזרחה.
חציית הרי הרוקי בשנית.
באמצע חודש יולי הגיע קיין לפורט ואלה ואלה, וסייר ב"מיסיון ויטמן" במקום. אחד ממושאי הציור שלו בשבת הקאיוסה היה תומאהס (לפי קיין, תומאקוס). קיין ציין כי היחסים בין הקאיוסה למתיישבים החדשים היו מתוחים למדי ואכן, כמה חודשים מאוחר יותר הרגו האינדיאנים במיסיונרים ("טבח ויטמן") ותומאהס היה זה שהואשם ברצח ויטמן. קיין המשיך משם, רכוב על סוס, עד לפורט קולוויל, שם נשאר במשך שישה שבועות ורשם את האינדיאנים במחנה דיג ליד קטל פולס. בספטמבר 1847 עמד בראש קבוצת שייטי קאנו בנהר קולומביה, והגיע באוקטובר למחנה בסיס בו המתין למשלוח סוסים מג'ספר. עם בוא המשלוח, המשיכו קיין ועמיתיו לכיוון מעבר אתאבסקה, צלחו אותו למרות מעטה השלג והגיעו לג'ספר האוס. משם המשיכו במסעם לפורט אסיניבוין ואז לפורט אדמונטון, שם שהה קיין בעונת החורף. קיין צייר באזור את בני שבט הקרי שחיו באזור והשתתף במסעות ציד וסיור בנהרות, אף כי רצונו לפגוש בשבט שחורי הרגל לא התממש.
חזרתו מזרחה.
במאי 1848 יצא קיין מפורט אדמונטון, במסגרת משלחת גדולה וב-1 ביוני פגש סוף סוף בקבוצה גדולה של לוחמים מבני שבט שחורי הרגל ומשבטים אחרים, שתכננו לפשוט על שבטי הקרי והאסיניבוין. בהזדמנות זו פגש קיין את "נחש גדול" (אומוקססיסיקסני), צ'יף שבט שחורי הרגל. מכאן המשיך קיין לנורווי האוס ולקראת סוף יולי, אחרי חודש של מנוחה, יצא לפורט אלכסנדר. מכאן המשיך קיין באותו מסלול בו עבר שנתיים קודם לכן, בכיוון ההפוך. בספרו תיאר את הקטע האחרון במסעו: "הקושי הגדול ביותר שהיה עליי להתמודד עמו בשלב זה הוא הקושי לישון במיטה רגילה".
החיים בטורונטו.
עם שובו מהמסע השתקע קיין בטורונטו. הוא לא שב לנסוע מערבה, לבד מפעם אחת, ב-1849, כאשר משלחת בריטית שכרה את שרותיו כמדריך וכמתרגם, אך גם במסע זה מערבה לא חצה את רד ריבר.
בנובמבר 1848 הציג קיין 240 מרישומיו בתערוכה בטורונטו. הרישומים זכו לתגובות חיוביות מאוד מקהל המבקרים, ובספטמבר 1852 ערך תערוכה ובה שמונה ציורי שמן נוספים, שאף הם זכו לביקורות נלהבות. ציוריו של קיין שבו את ליבו של ג'ורג' ויליאם אלן, שהחל מעניק לו תמיכה כספית, והפך לפטרונו החשוב ביותר. הביטוי הבולט ביותר לפטרונותו הייתה קניית 100 ציורי שמן של קיין (1852) תמורת 20,000 דולר קנדי. הסכום אפשר לקיין להתמסר באופן בלעדי לציור. לתמיכה נוספת זכה קיין ב-1851, כאשר שכנע את הפרלמנט הקנדי להקצות לו 500 ליש"ט תמורת 12 ציורים, אותם מסר בסוף שנת 1856.
בשנת 1853 נישא קיין להארייט קלנץ' (1892-1823), בתו של מעסיקו לשעבר בקוברוג. קלנץ' הייתה ציירת מוכשרת וסופרת. לזוג נולדו שני בנים ושתי בנות. עד שנת 1857 מילא קיין את כל מחויבויות הציור שנטל על עצמו: 100 ציורי השמן אותם מכר לאלן, 12 הציורים לפרלמנט הקנדי, וציורים נוספים אותם התחייב לבצע עבור סימפסון. עבודותיו של קיין הוצגו בפריז בתערוכה שנפתחה ב-1855. יצירתו התקבלה בתשואות בבירת האמנות העולמית של התקופה, וכמה מהן נשלחו מאוחר יותר (1858) לארמון בקינגהאם, כדי להציגן בפני המלכה ויקטוריה.
בשנות החמישים של המאה החל בעריכת כתב־היד של תיאור מסעותיו במערב. הוא שלח את כתב־היד לבית הוצאה לאור בלונדון, לשם פרסומו. לאחר שלא נענה, הוא הפליג ללונדון, ובעזרתו של סימפסון הביא לפרסומו של הספר בהוצאת "לוגמן, בראון, גרין, לונגמנס ורוברטס" בשנת 1859. שמו של הספר היה "מסעותיו של אמן בקרב האינדיאנים בצפון אמריקה מקנדה ועד ונקובר איילנד ואורגון בשטחיה של חברת מפרץ הדסון" והוא כלל איורים מרשימים וליתוגרפיות רבות של רישומיו וציוריו. קיין הקדיש את הספר לאלן, מה שגרם לסימפסון אכזבה קשה עד כדי כך, שהחליט לנתק את קשריו עם קיין. הספר זכה להצלחה רבה ובשנת 1863 תורגם לצרפתית, לדנית ולגרמנית.