Kai Johnsson ist seit 2017 Direktor am Max-Planck-Institut für medizinische Forschung, Abteilung für chemische Biologie. Zuvor war er ordentlicher Professor am Institut für Chemische Wissenschaften und Ingenieurwesen der École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) und Co-Direktor des NCCR Chemical Biology. Sein derzeitiges Forschungsinteresse gilt der Entwicklung und Anwendung chemischer Ansätze zur Untersuchung und Manipulation von Proteinfunktionen. Zu seinen bisherigen Errungenschaften gehört die Einführung verschiedener Ansätze zur spezifischen Markierung von Proteinen in lebenden Zellen; unter anderem sind der SNAP-Tag und der CLIP-Tag in der biologischen Gemeinschaft bekannt geworden.

Kai Johnsson ist seit 2021 Executive Editor des Journal of the American Chemical Society. Er ist Mitglied des Editorial Advisory Board von Science und des Forschungsrats des Schweizerischen Nationalfonds. Er ist Mitbegründer der Firma Covalys Biosciences, die auf den in seinem Labor entwickelten Technologien zur Proteinmarkierung basiert; diese Technologien sind jetzt über New England BioLabs erhältlich. Er erhielt den Prix APLE für die Erfindung des Jahres 2003 der EPFL, den Novartis Lectureship Award 2012/13, den Karl-Heinz Beckurts-Preis 2016 und ist gewähltes Mitglied der EMBO.