Kai Heimel studierte Biologie mit Schwerpunkt Genetik, Mikrobiologie und Biochemie an der Philipps-Universität Marburg. 2010 promovierte er am Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie in Marburg über regulatorische Netzwerke der Entwicklungssteuerung des Pilzes Ustilago maydis.
Nach einem zweijährigen Postdoc am Karlsruher Institut für Technologie wechselte er 2012 als Juniorprofessor für Mikrobielle Zellbiologie an das Institut für Mikrobiologie und Genetik (IMG) der Universität Göttingen. 2018 wurde er dort zum außerplanmäßigen Professor ernannt und verbrachte 2019 einen Forschungsaufenthalt als Gastprofessor an der University of British Columbia in Vancouver. Seit 2021 ist er Heisenberg-Professor am IMG Göttingen.
Seine Forschung untersucht Signaltransduktion und regulatorische Wechselwirkungen zwischen der Unfolded Protein Response (UPR) und weiteren zellulären Signalwegen im Kontext organismischer Interaktionen. Seine Lehre umfasst genetische, zellbiologische und mikrobiologische Inhalte in verschiedenen Bachelor- und Masterstudiengängen der Fakultät für Biologie und Psychologie der Universität Göttingen.
Seit 2026 ist er Vizepräsident der GfG.
