Kaare Støylen var biskop – først i Agder, senere i Oslo – i den omfattende reformperiode som begynte i Den norske kirke i 1960-årene. Så vel forholdet til statsmakt som liturgi og kirkens styringsstruktur ble utredet og debattert. Med sin mangesidige menighetserfaring, sin innsats i kirkens frivillige organisasjonsarbeid og sin sans for kirkens åndelige selvstendighet var Støylen vel egnet til å lede dette reformarbeidet.
Han var sønn av biskop Bernt Støylen og vokste opp i Kristiansand. Fra sitt hjem fikk han med seg en konservativ trosholdning og et folkekirkelig syn. Under kirkestriden i 1920-årene opplevde faren – selv teologisk konservativ – en vond konflikt med det konservative lederskapet. Hos sønnen satte dette merker. Han ble aldri noen stridens mann, som biskop og kirkeleder søkte han samlende løsninger.
Etter examen artium ved Kristiansand katedralskole 1927 begynte Kaare Støylen å studere teologi ved Universitetet i Oslo. Men det var først etter embetseksamen 1932 at han utviklet sitt teologiske grunnsyn. Gjennom kriser, som faren hjalp ham gjennom, vokste det frem en frimodig tillit til kirkens tro. Støylen betegnet seg selv som nyortodoks, og han vektla at Den norske kirke var en bekjennelseskirke om ord og sakrament. Skriftemålet var bærebjelken i det personlige fromhetslivet.
Støylens far hadde vært sjømannsprest. Gjennom ekteskap ble han selv knyttet til sjømannsstanden. Det var ikke unaturlig at han fant sin første arbeidsplass i Den norske Sjømannsmisjon. 1932 ble han hjelpeprest ved den norske sjømannskirken i London. Der mottok han sterke inntrykk av sin kollega, senere biskop i Agder, Johannes Smidt. Støylens første hustru, som hadde seilt med sine foreldre i flere år og kjente sjømannslivet, var en god støtte i dette arbeidet.
Mye av sin arbeidskraft kom Støylen til å legge i Sjømannsmisjonens hjemmearbeid, først som kretssekretær i Oslo krets 1935–40, senere (1955–58) som generalsekretær i organisasjonen. 1940 ble han hjelpeprest ved Domkirken i Bergen, fra 1946 småkirkeprest ved St. Jakobs kirke samme sted. Han fungerte også som hjelpeprest i Bergens menighet for døve. 1958 ble han biskop i Agder bispedømme, og 1973–77 var han biskop i Oslo.
Ved siden av det praktiske kirkearbeid var Støylen fagteologisk engasjert – særlig innen kirkehistorien. 1957 ble han tildelt den teologiske doktorgrad for et arbeid om dikterpresten Claus Frimann. Støylen var dessuten en av pionerene for kirkesangbevegelsen i Norge. 1955 var han med på å stifte Norges Kirkesangforbund.
Allerede mens han var biskop i Agder, ble Støylen nært knyttet til det kirkelige reformarbeidet. 1965 ble han formann i Den norske kirkes Liturgikommisjon. 1969 ble han formann i Det frivillige kirkeråds Utredningskommisjon, hvis oppgave var å klargjøre forholdet mellom kirke og stat. Han var sterkt engasjert i det økumeniske arbeid, blant annet som medlem av sentralkomiteen for Kirkenes Verdensråd 1961–75.
Kaare Støylen ble utnevnt til kommandør med stjerne av St. Olavs Orden 1975; han var også kommandør av den svenske Nordstjärneorden.