Kirill Petrenko wurde 1972 in Omsk geboren und studierte an der dortigen Musikfachschule Klavier. Mit 11 Jahren trat er als Pianist zum ersten Mal mit dem örtlichen Symphonieorchester öffentlich auf. 1990 übersiedelte die Familie (Vater Geiger, Mutter Musikwissenschaftlerin) nach Vorarlberg, wo der Vater eine Stelle als Orchestermusiker und Musiklehrer annahm. Petrenko studierte zuerst weiter in Feldkirch und anschließend Dirigieren in der Klasse von U. Lajovic an der Musikuniversität in Wien, wo er im Juni 1997 abschloss.

Ein erstes Engagement führte ihn ab Herbst 1997 in der Position als Assistent und Kapellmeister an die Wiener Volksoper. 1999 bis 2002 war Kirill Petrenko Generalmusikdirektor am Theater in Meinigen. Dort debütierte er mit Schostakowitsch Lady Macbeth von Mzensk. Vor allem aber erregte er 2001 mit dem Ring des Nibelungen in der Inszenierung von Christine Mielitz und in der Ausstattung von Alfred Hrdlicka internationales Aufsehen.

2002 - 2007 war Kirill Petrenko dann Generalmusikdirektor an der Komischen Oper in Berlin.

Parallel zu den Positionen in Meiningen und Berlin entwickelte sich bereits sehr rasch seine internationale Karriere. Wichtige Debüts waren u. a.: 2000: Maggio Musicale Fiorentino, 2001: Wiener Staatsoper und Semperoper, 2003: Barcelona Liceu, Paris Operá National, Covent Garden, Bayerische Staatsoper und Metropolitan Opera New York; 2005: Oper Frankfurt. Von 2006 bis 2008 schuf er gemeinsam mit Peter Stein den Zyklus der Puschkin Opern in Lyon (der im Frühjahr 2010 erneut und im gesamten gezeigt wurde).

Seit seinem Abschied von der Komischen Oper im Juli 2007 wirkte Kirill Petrenko als Gastdirgent u.a. an der MET in New York, in Covent Garden, Wiener Staatsoper, am Theater an der Wien, wo er 2004 erstmals auftrat. 2009 gastierte er erneut an der Bayerischen Staatsoper mit der Neuproduktion Jenufa und an der Oper Frankfurt mit Pfitzners Palestrina.

Zu den wichtigsten Orchestern die Kirill Petrenko bisher leitete gehören die Berliner Philharmoniker, die Staatskapelle Berlin, die Staatskapelle Dresden, das Symphonieorchester des Bayerischen Rundfunks, das Bayerische Staatsorchester, das Orchester des WDR Köln, die Philharmoniker Hamburg, das NDR Symphonieorchester Hamburg, das Museums Orchester Frankfurt, das RSO Wien, die Wiener Symphoniker, das Cleveland Orchestra, das Chicago Symphony Orchestra, das London Philharmonic Orchestra, das Israel Philharmonic Orchestra, das Gulbenkian Orchester Lissabon, Orchestra Accademia Nazionale di Santa Cecilia, Orchestra Sinfonica Nazionale – RAI, das Oslo Philharmonic Orchestra und das Concertgebouw Orchester Amsterdam. Außerdem leitete Kirill Petrenko Konzerte bei den Salzburger und Bregenzer Festspielen.

Kirill Petrenko dirigierte 2013 die Neuproduktion des Ring des Nibelungen bei den Bayreuther Festspielen. Seit September 2013 ist er Generalmusikdirektor der Bayerischen Staatsoper München mit großem Erfolg.