Фрэнсис, урождённая Катарина Эдвина Гиббс, родилась 13 января 1905 года в Оклахома-Сити. Её мать, Кэтрин Гиббс, была актрисой и владелицей сети актёрских школ. Воспитанная в религиозной семье Фрэнсис в юности училась в нескольких католических школах, а после поступила в одну из актёрских школ матери, находившуюся в Нью-Йорке. Там же в возрасте 17 лет Кэй вышла замуж за состоятельного бизнесмена из Массачусетса. Брак оказался недолгим и спустя три года они развелись. После этого Кэй некоторое время жила в Париже, где познакомилась со своим будущим мужем атлетом Биллом Гастоном.
По возвращении в США Фрэнсис решила пойти по стопам матери и стать актрисой. Её театральный дебют состоялся в пьесе «Гамлет» на Бродвее в ноябре 1925 года. После этого Фрэнсис в течение двух лет гастролировала с одной из театральных трупп по городам США, а в 1927 году вновь вернулась на Бродвей в пьесе «Преступление», где вместе с ней играла начинающая тогда актриса Сильвия Сидни.
После развода с Гастоном Кэй стала встречаться со светским плейбоем Аланом Райаном-младшим, ради которого она была готова бросить карьеру и посвятить себя их будущей семье. Но этого ей не удалось и спустя пару месяцев она вновь появилась на Бродвее в пьесе Венера. В 1928 году, во время выступлении в пьесе Великий Элмер, Фрэнсис познакомилась со знаменитым актёром Уолтером Хьюстоном, который посоветовал ей начать карьеру в кино. Кэй прислушалась к его совету и спустя год дебютировала на нью-йоркской студии «Paramount» в фильме «Кокосовые орешки».
