Tras una breve experiencia teatral en Broadway, Kay Francis inicia su carrera cinematográfica en 1929, contratada por Paramount, alcanzando rápidamente una gran popularidad.

En 1932, Warner Brothers le ofrece un lucrativo contrato que la convierte no solamente en la primera estrella femenina del estudio, sino también en la actriz mejor pagada en los Estados Unidos[1]​ Su verdadero nombre era Katharine Edwina Gibbs, y nació en Oklahoma City.

Tras abandonar su padre a la familia, Kay creció con su madre, estudiando en escuelas católicas cuando podían costearlas, tales como el Institute of the Holy Angels.

A los 17 años, Kay se casó con James Dwight Francis, matrimonio que acabó en divorcio en 1924.

Francis se había casado con el cineasta John Meehan en Nueva York, pero poco después de su llegada a Hollywood tuvo una relación con el actor y productor Kenneth MacKenna, con quien se casaría en enero de 1931.

En su período de máxima popularidad interpretó a sufridas heroínas, como en los filmes I Found Stella Parrish, Secrets of an Actress, y Comet over Broadway.

Firmó un contrato para filmar tres películas con el estudio Monogram Pictures, que le dio estatus de protagonista.

Por todo ello, Francis también trabajó en los años cuarenta en el teatro, actuando con cierto éxito en State of the Union y haciendo giras con producciones de obras tanto antiguas como recientes, incluyendo una, Windy Hill, en la que participaba su antigua colega de la Warner Ruth Chatterton.

Sus diarios, preservados en una colección en la Universidad Wesleyana, pintan un retrato de una mujer con una vida personal desordenada, y con una fuerte atracción por las mujeres.

En 1966 le diagnosticaron un cáncer de mama, siendo tratada mediante una mastectomía, pero el tumor se había extendido y la actriz falleció en Nueva York en 1968.