Joachim Klein ist seit 1994 als Beleuchtungsmeister und Lichtdesigner an der Oper Frankfurt engagiert und übernahm 2013 die Leitung der Beleuchtungsabteilung. In der Spielzeit 2022/23 zählen Die Zauberflöte und Orlando (Regie: Ted Huffman), Die Meistersinger von Nürnberg (Regie: Johannes Erath), Hercules (Regie: Barrie Kosky) sowie in erneuter Zusammenarbeit mit Tobias Kratzer Die ersten Menschen zu seinen Plänen. Gastengagements führten ihn für Produktionen von Regisseuren wie Barrie Kosky, Peter Konwitschny, Christof Loy, Claus Guth, Harry Kupfer, David Hermann und Johannes Erath u. a. zu den Salzburger Osterfestspielen, zum Glyndebourne Festival, an die Bayerische Staatsoper in München, nach Göteborg, an die Hamburgische Staatsoper, an das Teatro Real in Madrid, an die English National Opera in London und an die Los Angeles Opera. Für das Lichtdesign zu Herzog Blaubarts Burg an der Oper Frankfurt sowie für Saul beim Glyndebourne Festival wurde Joachim Klein 2014 und 2016 der britische „Knight of Illumination Award“ verliehen. Ebenfalls für Saul erhielt er 2017 den australischen Helpmann Award für das „Beste Lichtdesign“.
Zu seinen Arbeiten an der Oper Graz zählen Johannes Eraths Inszenierungen von Elektra und Die tote Stadt, sowie Peter Konwitschnys Inszenierungen von Pique Dame und La traviata, die – nach Stationen in Nürnberg, an der English National Opera, am Theater an der Wien und in Seattle – im Herbst 2024 erneut an der Oper Graz zu sehen ist.