Han var sønn av kunstneren Johannes Piene, gift med Christiane Mathilde Waage (derved svigersønn av Peter Waage). Kay Piene ble i 1941 gift med mag.art. Fiffi Piene (født 23. september 1918 i Kristiansund). De hadde sammen to barn, informatikeren Jo Piene (1945–) og matematikeren Ragni Piene (1947–).