Kay Piene gikk ved Oslo katedralskole og studerte matematikk ved Universitetet i Oslo, ved Universitetet i København (eksamen, 1929) og i Universitetet i Göttingen (1931–32). Deretter var han lærer i Hamar og Oslo (1936–). Han var i (karaktersystemutvalget) med Einar Høigård, og hadde en studietid ved pedagogisk institutt, Columbia University.