Bereits mit elf Jahren debütierte Petrenko mit dem symphonischen Orchester seiner Heimatstadt Omsk - damals noch als Pianist.
Mit 18 Jahren zog Petrenko, der 1972 in Russland geboren wurde, mit seiner Familie nach Österreich. Während sein Vater im Symphonieorchester Voralberg die Violine spielte, beendete Petrenko seine Klavierausbildung mit Auszeichnung in Feldkirch.Es folgte ein weiteres Studium an der Musikuniversität Wien, wo Petrenko unter anderen bei Uroš Lajovic und Semjon Bytschkow studierte. Zweiterer bezeichnete ihn einst als „natural born conductor“ – der geborene Dirigent.
1995 debütierte der damals 23-jährige Petrenko als Operndirigent mit Benjamin Brittens „Let’s Make an Opera“ in Vorarlberg.
Zwischen 1997 und 1999 war er Kapellmeister an der Wiener Volksoper, wo er unter anderem die Urfassung der Oper „Boris Godunow“ dirigierte. Als jüngster Generalmusikdirektor Deutschlands folgte ein Engagement am Theater Meiningen. Dort erregte er vor allem mit der musikalischen Leitung einer Inszenierung von Richard Wagners "Ring des Nibelungen" an vier Abenden in Folge auch internationale Aufmerksamkeit.
So gastierte Petrenko in den folgenden Jahren in Wien, London, Dresden, Paris oder an der Met in New York, bevor er zwischen 2002 und 2007 als Generalmusikdirektor der Komischen Oper Berlin brillierte.
Bereits vier Mal wurde er von der Zeitschrift "Opernwelt" zum Dirigenten des Jahres gewählt.Dabei sind es nicht nur Opern, welche der russische Dirigent beherrscht. So arbeitete Petrenko ebenfalls u.a. mit dem Berliner Philharmonikern, dem Concertgebouw-Orchester, dem Cleveland Orchestra, dem Bayerischen Staatsorchester, dem London Philharmonic Orchestra, den Hamburger Philharmonikern sowie den Wiener Symphonikern.
Im Herbst 2013 trat Kirill Petrenko sein Amt als Generalmusikdirektor der Bayerischen Staatsoper an, welches er bis Ende der Spielzeit 2019/20 innehatte.Als bereits bekannte Größe in der Hauptstadt wurde Petrenko im Juni 2015 zum Chefdirigenten als Nachfolger von Sir Simon Rattle bei den Berliner Philharmonikern gewählt.