Aux Jeux olympiques d'hiver de 1980 organisés à Lake Placid aux États-Unis, Kay Arne Stenshjemmet obtient deux médailles d'argent sur 1 500 mètres et 5 000 mètres, devancé à chaque fois par le quintuple champion olympique Eric Heiden. Il remporte également la médaille de bronze aux Championnats du monde toutes épreuves à Oslo en 1979 et l'argent deux ans plus tard toujours à Oslo.