Dès sa jeune enfance, Kay Panabaker déménage beaucoup. Partie de Houston, elle suit ses parents à Philadelphie puis Atlanta où elle se découvre une passion pour la comédie à 8 ans. Elle fait ses premiers pas sur scène un an plus tard à Chicago dans la pièce "The Herbal Bed" (1999). Elle s'envole en 2002 vers Los Angeles où elle obtient son premier rôle aux côtés de Kiefer Sutherland dans le film Pari à haut risque. Sa carrière lancée, elle apparaît dans des séries comme Urgences, 7 à la maison, Angel, Division d'élite et Médium. L'année 2004 marque ses premiers rôles récurrents dans Summerland, la série de Lori Loughlin, et dans Phil du futur.