Thompson wurde 1909 als Catherine Louise Fink in St. Louis, Missouri, als zweites von vier Kindern von Leo George Fink, einem jüdischen, in Österreich geborenen Pfandleiher und Juwelier, und seiner in Amerika geborenen, nichtjüdischen Frau Harriet Adelaide „Hattie“ Tetrick geboren ..
Thompson begann ihre Karriere in den 1930er Jahren als Sängerin und Chorleiterin für das Radio. Ihr erster großer Durchbruch war als regelmäßige Sängerin in der Bing Crosby-Woodbury Show Bing Crosby Entertains (CBS, 1933–34). Dies führte zu einem regelmäßigen Auftritt in der Fred Waring-Ford Dealers Show (NBC, 1934–35) und dann mit dem Dirigenten Lennie
Hayton war sie Mitbegründerin von The Lucky Strike Hit Parade (CBS, 1935), wo sie den Posaunisten Jack Jenney kennenlernte (und später heiratete). Thompson and Her Rhythm Singers schlossen sich André Kostelanetz and His Orchestra für die Erfolgsserie The Chesterfield Radio Program (CBS, 1936) an, gefolgt von It’s Chesterfield Time (CBS, 1937), für die Thompson und ihr großer Chor mit Hal Kemp und His Orchestra zusammenarbeiteten .
Als Sängerin machte Thompson nur sehr wenige Platten, beginnend mit einer Seite, "Take a Number from One to Ten", bei einer Session der Tom Coakley-Band im Jahr 1934. 1935 nahm sie vier Seiten für Brunswick auf („You Hit The Spot“, „You Let Me Down“, „Don’t Mention Love To Me“ und „Out of Sight, Out of Mind“) und weitere vier Seiten für Viktor. Die 4 Braunschweiger Seiten sind hervorragende Beispiele für den anspruchsvollen New Yorker Kabarettgesang Mitte der 1930er Jahre.
Für ihr Filmdebüt führten Thompson und ihr Chor zwei Lieder im Republic Pictures-Musical Manhattan Merry-Go-Round (1937) auf. 1939 traf sie sich wieder mit André Kostelanetz für Tune-Up Time (CBS), eine Show, die von der Radiolegende William Spier (der später Thompson 1942 heiratete) produziert wurde. Bei einer Folge von Tune-Up Time im April 1939 war die 16-jährige Judy Garland zu Gast. Es war zu dieser Zeit
dass Thompson Garland zum ersten Mal traf und mit ihr zusammenarbeitete und eine enge persönliche Freundschaft und berufliche Verbindung entwickelte, die den Rest von Garlands Leben dauerte.
1943 unterzeichnete Thompson einen Exklusivvertrag mit MGM, um die beste Vocal Arrangeurin, Vocal Coach und Chorleiter des Studios zu werden. Sie diente als Hauptvokalarrangeurin für viele MGM-Musicals des Produzenten Arthur Freed und als Gesangscoach für Stars wie Judy Garland, Lena Horne, Frank Sinatra und June Allyson. Einige der vielen MGM-Musicals, für die Thompson der Gesangsarrangeur war, umfassen Ziegfeld Follies (1946), The Harvey Girls (1946), Till the Clouds Roll By (1946), Good News (1947) und The Pirate (1948).
Thompson verließ MGM 1947, nachdem sie an The Pirate gearbeitet hatte, um den Nachtclub-Act „Kay Thompson and the Williams Brothers“ mit den vier Williams-Männern als ihre Backup-Sänger und -Tänzer zu gründen. Sie debütierten 1947 in Las Vegas und wurden über Nacht zu einer Sensation. Innerhalb eines Jahres waren sie der bestbezahlte Nachtclub-Act der Welt und brachen Rekorde, wo immer sie auftraten. Sie schrieb die Songs und Robert Alton machte die ursprüngliche Choreografie für die Nummer.
Thompson, die im Plaza Hotel in New York City lebte, wurde vor allem als Autor der Kinderbuchreihe Eloise bekannt. Es wurde spekuliert, dass die Bücher teilweise von den Possen ihrer Patentochter Liza Minnelli, der Tochter von Judy Garland und dem Filmregisseur Vincente Minnelli, inspiriert waren, obwohl Thompson auf die Frage, ob dies wahr sei, antwortete: „Ich bin Eloise.“
Später nahm sie für Capitol, Columbia, Decca und vor allem für MGM Records auf, die 1954 ihr einziges vollständiges Album mit Songs veröffentlichten. Im Februar 1956 schrieb und nahm Thompson den Song „Eloise“ bei Cadence Records mit einem Orchester auf
unter der Leitung von Archie Bleyer. Das Lied debütierte am 10. März 1956 und wurde ein Top-40-Hit, der sich über 100.000 Mal verkaufte.
Als Filmschauspielerin spielte Thompson nur eine Hauptrolle: die der Moderedakteurin Maggie Prescott im Musical Funny Face (1957). Wieder vereint mit ihren Kollegen von MGM, dem Produzenten und Songwriter Roger Edens und dem Regisseur Stanley Donen, erhielt Thompson Kritikerlob für ihre stilvolle Wendung als Redakteurin, die auf der echten Harper's Bazaar-Redakteurin Diana Vreeland basiert und den Film mit ihrem spritzigen „Think Pink!“ eröffnete. und Duette mit Astaire und Hepburn.
1962 diente Kay als kreative Beraterin und Gesangsarrangeurin für Judy Garlands legendäres TV-Special mit Frank Sinatra und Dean Martin und war mit verschiedenen eigenen Nachtclub-/TV-Auftritten beschäftigt, bis sie beschloss, das Rampenlicht zu verlassen. Es war die Modeikone Halston, die Kay in den 1970er Jahren für einige Zeit aus ihrem selbstgewählten Ruhestand lockte, um seine Laufstegshows zu inszenieren.
Thompson spielte nur in einem weiteren Spielfilm, 1970er Tell me that you love me, Junie Moon, weil Thompson laut seinem Star Liza Minnelli die langsame Geschwindigkeit der Filmproduktion nicht mochte.
Sie zog schließlich in Minnellis Penthouse an der Upper East Side und wurde im Gegensatz zu ihrer überlebensgroßen Persönlichkeit ruhig und zurückgezogen, da sie das letzte Jahrzehnt so ziemlich an einen Rollstuhl gefesselt war. Sie starb am 2. Juli 1998 im Alter von 88 Jahren im Penthouse.
