W czasie II wojny światowej był partyzantem w BCh i AK. Ukończył gimnazjum w Rzeszowie, a w 1946 r. zdał eksternistyczny egzamin aktorski. W tym samym roku trafił do Teatru Wojska Polskiego w Łodzi, w którym występował do 1949 r. Jednocześnie studiował jako wolny słuchacz w łódzkiej PWST, a nasze miasto przewija się nieustannie w jego biografii.
W 1949 r. zorganizował warsztaty teatralne w celu stworzenia nowoczesnego teatru socrealistycznego. Idea ta została zrealizowana na deskach Teatru Nowego w Łodzi, którego działalność zainaugurowano wystawieniem 12 XI 1949 r. sztuki Vaška Kani. „Brygada szlifierza Karhana”. W 1950 r. Dejmek został dyrektorem Teatru Nowego, gdzie pracował przez 12 lat. Odwilż w życiu politycznym przyjęta została w 1956 r. wystawieniem sztuki „Święto Winkelrieda”, a potem nastąpiła seria interesujących spektakli: „Żywot Józefa” wg Mikołaja Reja, „Noc listopadowa” i „Akropolis” S. Wyspiańskiego, a reżyser sięgał również po teksty Platona, Arystofanesa, Szekspira, Czechowa.
W 1962 r. Dejmek objął funkcję dyrektora Teatru Narodowego w Warszawie, kontynuując swoje zainteresowania, poszerzone o dzieła romantyczne – „Kordiana” i sławną inscenizację „Dziadów” z 25 XI 1967 roku, która wywołała prawdziwą burzę. Premiera miała uświetnić obchody 50. rocznicy rewolucji październikowej, ale wbrew intencjom reżysera rozpaliła antyradzieckie nastroje. 30 I 1968 r. sztukę zdjęto z afisza, co wywołało falę protestów i demonstracji, poprzedzających wydarzenia marca 1968 r. Dejmka usunięto z partii, a następnie zwolniono ze stanowiska. W latach 1969-1973 reżyserował za granicą, m.in. w Oslo, Wiedniu i Mediolanie. Do kraju powrócił w 1972 r., a dwa lata później ponownie objął stanowisko dyrektora Teatru Nowego w Łodzi, kierując nim do 1979 r. i to był świetny czas dla łódzkiej kultury, okraszony m.in. spektaklami „Operetki” W. Gombrowicza (1975), „Garbusa” (1975) i „Vatzlava” S. Mrożka (1979) czy „Wielkiego Fryderyka” A. Nowaczyńskiego (1977). Po raz kolejny zwrócił się K. Dejmek ku apokryfom staropolskim, reżyserując sławne „Dialogus de Passione”. W latach 1981-1995 pełnił funkcję dyrektora Teatru Polskiego w Warszawie, był krótko szefem ZASP-u oraz udzielał się politycznie jako poseł PSL i minister kultury.
Do działalności teatralnej powrócił w 1997 r., zaś w 2001 r. po raz ostatni Kazimierz Dejmek pojawił się w łódzkim Teatrze Nowymi, w którym wyreżyserował „Sen Pluskwy” T. Słobodzianka. Zmarł miesiąc przed przygotowywaną jeszcze premierą „Hamleta” Szekspira. Został pochowany na cmentarzu Doły. Od 14 I 2008 r. Teatr Nowy w Łodzi nosi jego imię.
