Kai Grjotheim var en av Norges fremste forskere innen fremstilling av lettmetaller og en internasjonalt anerkjent spesialist på elektrolyse av aluminium.
Grjotheim vokste opp i Åsnes og tok examen artium ved Hamar katedralskole 1940. På grunn av krigssituasjonen ble han forsinket i den videre utdannelsen, men fullførte sine studier på kjemilinjen ved NTH i Trondheim med sivilingeniøreksamen 1950. 1956 ble han dr.techn. på avhandlingen Contribution to the Theory of the Aluminum Electrolysis.
Etter eksamen var han ansatt ved NTH som høgskolestipendiat 1952–55 og vikardosent i uorganisk kjemi 1955–56, deretter hadde han et forskningsopphold ved University of Toronto i Canada 1956–57. Tilbake i Norge var han dosent i uorganisk kjemi ved NTH 1957–59 og professor i samme fag 1959–61, samtidig som han underviste i kjemi ved Norges Lærerhøgskole. 1961–69 var han professor i fysisk kjemi ved Danmark Tekniske Høyskole før en ny periode (til 1972) som professor ved NTH. I denne tiden fungerte han også som dekanus ved Kjemiavdelingen. Fra 1973 hadde Grjotheim sin arbeidsplass ved Universitetet i Oslo, hvor han var professor i generell og uorganisk kjemi til han nådde pensjonsalderen 1989. Som professor emeritus samme sted fortsatte han sin forskning med samme intensitet som tidligere.
Grjotheims forskningsinnsats var særlig knyttet til fremstilling av lettmetaller. Han etablerte allerede i 1950-årene et utstrakt faglig samarbeid med aluminiumsindustrien, og dette har vært av uvurderlig betydning på et område som er av stor betydning for Norge, både økonomisk og teknologisk. Sammen med norske og utenlandske kolleger utgav han en rekke bøker om aluminiumsfremstilling. Hans vitenskapelige produksjon omfatter mer enn 300 vitenskapelige artikler innen prosessmetallurgi og uorganisk og fysikalsk kjemi.
Grjotheim var gjesteprofessor ved en rekke utenlandske universiteter, bl.a. Pennsylvania State University i USA, University of New South Wales i Australia, Witwatersrand University i Sør-Afrika, Bergakademiet i Freiburg i Tyskland og University of Auckland i New Zealand. Han mottok mange utmerkelser for sin forskningsinnsats, i Norge bl.a. Guldberg–Waage-medaljen 1988 og Fridtjof Nansens belønning 1989, og en rekke utenlandske medaljer, bl.a. den italienske Denegani Gold medal for vitenskapelig innsats innen lettmetallforskning 1971, den franske Medaille Sainte-Claire Deville 1979 og det slovakiske vitenskapsakademis æresmedalje 1979 og gullmedalje 1990. Han ble utnevnt til æresprofessor ved den tekniske høyskolen i Shenyang, Kina 1980. I tillegg til sine faglige utmerkelser mottok han flere utenlandske krigsmedaljer.
Kai Grjotheim var gjennom mange år Verdensbankens internasjonale ekspert på produksjon av lettmetaller, og han hadde tillitsverv i flere internasjonale faglige organisasjoner. Han var medlem av Det Kongelige Norske Videnskabers Selskab fra 1961, Norges Tekniske Vitenskapsakademi fra 1962 og Det Norske Videnskaps-Akademi fra 1968, samt av det tyske vitenskapsakademiet i Berlin.