Kirill Petrenko s-a născut în Omsk, Siberia, în 1972, și a studiat pianul la școala de muzică din orașul natal. A apărut în public ca pianist pentru prima dată la vârsta de unsprezece ani, cu Orchestra Simfonică din Omsk. În 1990, s-a mutat cu familia sa (tată violonist, mamă muzicolog) în Vorarlberg, Austria, unde tatăl său a acceptat poziția de muzician în orchestră și profesor de muzică. Petrenko și-a continuat studiile în Feldkirch, apoi a studiat arta dirijorală la Universitatea de Muzică și Artele Spectacolului din Viena.
Primul său angajament l-a adus în Wiener Volksoper ca asistent și în Kapellmeister imediat după absolvire. Din 1999 până în 2002 Kirill Petrenko a fost regizor muzical la Teatrul Meiningen, unde a atras atenția pe plan internațional pentru prima dată în 2001, cu o producție a lui Wagner – Der Ring des Nibelungen, în regia lui Christine Mielitz, cu aranajamente de Alfred Hrdlicka. În 2002, Kirill Petrenko și-a început mandatul de director muzical general al Komische Oper Berlin, unde a realizat o serie de producții impresionante până în 2007.
Cariera internațională a lui Petrenko s-a dezvoltat rapid în anii petrecuți în Meiningen și Berlin. În 2000, Kirill Petrenko a debutat la Maggio Musicale din Florența, în 2001 la Wiener Staatsoper și la Semperoper din Dresda, în 2003 la Gran Teatre del Liceu din Barcelona, Opéra National de Paris, Opera Regală, Covent Garden în Londra, la Bayerische Staatsoper și la Metropolitan Opera din New York, iar în 2005 la Opera din Frankfurt. Din 2006 până în 2010 a prezentat un ciclu de trei opere Pushkin ale lui Ceaikovski cu Peter Stein în Lyon.
După ce a părăsit Komische Oper Berlin, Kirill Petrenko a lucrat ca dirijor independent.
Pe lângă cariera sa din domeniul operei, Kirill Petrenko a apărut, de asemenea, în concerte din întreaga lume. A colaborat cu orchestre importante, cum ar fi Filarmonica Berliner, Staatskapelle Dresden, Orchestra Simfonică Radio din Bavaria, Bayerisches Staatsorchester, Orchestra Simfonică WDR din Köln, Orchestra Filarmonicii din Hamburg, Orchestra Simfonică din Hamburg NDR, Orchestra de Operă și Muzeu din Frankfurt, Concertgebouw Orchestra din Amsterdam, Filarmonica din Viena, Orchestra Simfonică Radio din Viena, Orchestra Simfonică din Viena, Orchestra Cleveland, Orchestra Simfonică din Chicago, Orchestra Filarmonicii din Londra, Orchestra Filarmonicii din Oslo, Orchestra Santa Cecilia din Roma, Orchestra RAI din Torino și Orchestra Filarmonicii din Israel.
Kirill Petrenko a dirijat, de asemenea, concerte la Festivalurile Bregenz și Salzburg.
Din 2013 până în 2015 a dirijat noua producție a Der Ring des Nibelungen de Richard Wagner la Festivalul Bayreuth.
Kirill Petrenko și-a început activitatea în calitate de director general al Bayerische Staatsoper la 1 septembrie 2013. De atunci a dirijat, pe lângă un număr imens de relansări, premierele Die Frau ohne Schatten (Richard Strauss), La clemenza di Tito (Wolfgang Amadeus Mozart) și Die Soldaten (Bernd Alois Zimmermann), Lucia di Lammermoor (Gaetano Donizetti), Polul Sud (Miroslav Srnka, premieră mondială), Die Meistersinger von Nürnberg (Richard Wagner), Lulu al lui Alban Berg, Il trittico al lui Giacomo Puccini și Parsifal de Wagner.
În iunie 2015, Kirill Petrenko a fost ales următorul dirijor șef al Filarmonicii de la Berlin din sezonul 2019/20.
