В 1996 г. окончил Стэнфордский университет, в 2000 г. - MBA Гарвардской школы бизнеса (Baker Scholar).

С 1996 г. по 1999 г. работал в инвестиционном банке Goldman Sachs в Нью-Йорке и в консалтинговой компании McKinsey & Company в Лос-Анджелесе, Москве и Праге.

С 2000 г. по 2002 г. — заместитель генерального директора «Информационные Бизнес Системы» (IBS).

С 2002 г. по 2007 г. — директор по инвестициям, управляющий директор и партнер в фонде Delta Private Equity.

С 2007 г. по 2011 г. — управляющий партнёр и президент фонда прямых инвестиций Icon Private Equity.

С апреля 2011 г. — генеральный директор Российского фонда прямых инвестиций (РФПИ).

Заместитель председателя Совета по инвестициям при Председателе Государственной Думы РФ.

Указом Президента РФ Кирилл Дмитриев награжден Орденом Александра Невского и Орденом Почета за большой вклад в реализацию международных инвестиционных проектов и социально-экономическое развитие Российской Федерации.

В мае 2020 г. указом Президента Италии Кирилл Дмитриев удостоен Ордена Звезды Италии степени Командор за особые заслуги в развитии дружественных отношений и сотрудничества между Италией и Россией.

Является членом Попечительского совета ГИТИСа.

Указом Президента Казахстана Кирилл Дмитриев удостоен Ордена Дружбы за особые заслуги в развитии дружественных отношений и сотрудничества между Казахстаном и Россией.