Народився в музичній єврейській родині[3][4]. Батько, заслужений артист РРФСР Гаррі Петренко (уродженець Львова), був першою скрипкою Омського симфонічного оркестру, а на початку 1990-х років — диригентом і концертмейстером камерного оркестру Arpeggione Hohenems[5][6]; мати — музикознавець Ольга Давидівна Петренко (уроджена Вайнтрауб, нар. 1945), працювала лектором в Омській філармонії[7][8][9][10]. Музикою почав займатися з шести років. Навчався в музичній школі по класу фортепіано. У 11-річному віці дебютував як соліст в супроводі Омського симфонічного оркестру. Пізніше навчався в Омському музичному училищі ім. В. Я. Шебалина на двох відділеннях: фортепіанне виконавство і теорія музики.
З 1999 по 2002 рік Кирило Петренко обіймав посаду музичного директора Мейнінгенського театру.
У 2001 році був художнім керівником вистави Христини Меліц «Кільце Нібелунгів» Вагнера, яка проходила чотири вечори поспіль і зробила Петренка всесвітньо відомим[13].
22 червня 2015 року Кирило Петренко був обраний наступним головним диригентом Берлінського філармонічного оркестру після Саймона Реттла; відзначається, що він стане першим головним диригентом єврейського походження і першим вихідцем з Росії за всю 133-річну історію цього колективу і третім головним диригентом великого оркестру Німеччини після Девіда Баренбойма й Івана Фішера[16][17][18].