Окончил в 1984 году Горьковский институт инженеров водного транспорта и Академию народного хозяйства при Правительстве Российской Федерации в 1993 годугоду.
Член КПСС с 1984 года. С 1984 по 1986 годы проходил службу в рядах Вооружённых сил СССР.
Трудовую деятельность начал в должности мастера судостроительного завода «Красное Сормово». В 1986—1991 годах — секретарь комитета ВЛКСМ завода; первый секретарь Горьковского областного комитета ВЛКСМ. На первых альтернативных выборах в марте 1990 года был избран депутатом Горьковского областного совета народных депутатов.
В 1991—1997 годах — работал в сфере предпринимательства, финансов и бизнеса: генеральный директор акционерного общества «Концерн АМК»; председатель правления банка «Гарантия»; президент нефтяной компании «НОРСИ-ОЙЛ».
Положительно относился к реформам Гайдара в начале 1990-х годов, именно они побудили его получить второе образование в сфере экономики.
В апреле 1997 года Кириенко переехал на работу в Москву, где первый заместитель председателя правительства России Борис Немцов убедил премьера Виктора Черномырдина взять молодого нижегородского бизнесмена на высокую должность в министерстве топлива и энергетики. Черномырдин сначала возражал, ссылаясь на отсутствие государственного опыта у Кириенко, однако затем, не желая спорить по малозначительному, как тогда казалось, кадровому вопросу, уступил напору Немцова.
В 1997—1998 годах Кириенко — первый заместитель министра, министр топлива и энергетики Российской Федерации.
23 марта 1998 года президентом Борисом Ельциным Кириенко был назначен исполняющим обязанности председателя правительства после отставки кабинета Виктора Черномырдина. Как стало известно годы спустя, в тот день Ельцин выбирал между генералом Андреем Николаевым и Кириенко. Как отмечал в мемуарах Ельцин, ему на посту председателя правительства требовался политик молодой, энергичный и твёрдый в преобразованиях. После первой же встречи Ельцину понравился стиль мышления Кириенко — «ровный, жёсткий, абсолютно последовательный».
23 марта 1998 г. указом президента РФ Бориса Ельцина Сергей Кириенко был назначен первым вице-премьером правительства РФ (сменил в должности Анатолия Чубайса). В тот же день глава государства возложил на него исполнение обязанностей председателя правительства в связи с отставкой кабинета Виктора Черномырдина. 27 марта президент внес кандидатуру и. о. премьер-министра в Госдуму РФ. 24 апреля 1998 г. Сергей Кириенко с третьей попытки был утвержден председателем правительства.
28 апреля 1998 г. он был назначен председателем Временной чрезвычайной комиссии при президенте РФ по укреплению налоговой и бюджетной дисциплины. 29 апреля 1998 г. стал председателем исполкома Союза России и Белоруссии.
С 26 мая по 1 октября 1998 г. входил в число постоянных членов Совета безопасности РФ, с 27 мая 2000 г. по 14 ноября 2005 г. – член Совета безопасности РФ.
17 августа 1998 г. правительство РФ и Центральный банк объявили о техническом дефолте по своим долговым обязательствам и перестали поддерживать курс национальной валюты. 23 августа 1998 г. кабинет Сергея Кириенко указом президента РФ Бориса Ельцина был отправлен в отставку.
В 1999–2000 гг. – депутат Государственной думы РФ III созыва, руководитель фракции "Союз правых сил". Был избран в Госдуму 19 декабря 1999 г. по общефедеральному списку избирательного блока СПС (блок получил 8,52% голосов избирателей). Входил в комитет Госдумы по законодательству. Депутатские полномочия Сергея Кириенко были прекращены досрочно 31 мая 2000 г. в связи с переходом на работу в Администрацию президента РФ.
С 18 мая 2000 г. по 14 ноября 2005 г. – полномочный представитель президента РФ в Приволжском федеральном округе.
С мая 2001 г. по сентябрь 2007 г. являлся председателем Государственной комиссии по химическому разоружению.
C января 2003 г. по июнь 2005 г. был председателем совета директоров ЗАО "Авиастар-СП".
С 15 ноября 2005 г. по 4 февраля 2008 г. занимал пост главы Федерального агентства по атомной энергии (Росатом).
После создания на базе агентства государственной корпорации "Росатом" с 12 декабря 2007 г. по 5 октября 2016 г. занимал пост ее генерального директора. С декабря 2016 г. - председатель наблюдательного совета Росатома.
С 5 октября 2016 г. - первый заместитель руководителя Администрации президента РФ (глава администрации - Антон Вайно). Сменил на этом посту Вячеслава Володина. Курирует блок внутриполитических вопросов, включая выборы всех уровней, взаимодействие с политическими партиями и общественными организациями, молодежную политику и др. 13 июня 2018 г. вновь назначен на этот пост.
Заместитель председателя Совета при президенте РФ по межнациональным отношениям (с ноября 2016 г.), член Совета при президенте РФ по развитию местного самоуправления (с марта 2017 г.).
Был членом Военно-промышленной комиссии РФ (2014-2017), входил в совет директоров ОАО "Роснано" (2011–2013), попечительский совет Фонда перспективных исследований (2012-2017).
Возглавлял оргкомитет по подготовке и проведению в 2017 г. XIX Всемирного фестиваля молодежи и студентов в РФ.
Действительный государственный советник РФ I класса (2000).
В годы работы Кириенко при участии российских атомщиков было завершено строительство и осуществлён запуск в эксплуатацию АЭС в Бушере (2010—2011) — первой атомной электростанции в Иране и на всём Ближнем Востоке. Помимо этого, при участии Росатома введено в строй три реактора в Китае, два реактора в Индии. Строительство ещё 30 энергоблоков в разных странах мира продолжается. Общая цена портфеля международных контрактов Росатома, сформированного при Кириенко, — более 100 млрд долларов до 2025 годагода.На конец 2020 года портфель заказов «Росатома» на 10 лет вперед составлял более 130 млрд долларов.
К 2016 году, когда Кириенко ушёл с поста генерального директора ГК «Росатом» в администрацию президента РФ, заняв также пост руководителя Наблюдательного совета госкорпорации, в России: введено в эксплуатацию три энергоблока общей мощностью 3,1 ГВт, в том числе два энергоблока на Ростовской АЭС и один на Калининской АЭС; были готовы к пуску в промышленную эксплуатацию ещё два блока на 2 ГВт суммарной мощности — четвёртый блок Белоярской АЭС и первый Нововоронежской АЭС-2, а в стадии строительства находились ещё 4 энергоблока суммарной мощностью 4,6 ГВт. Доля атомной энергетики в выработке электроэнергии в России в 2015 году выросла до 17 % (против 15 % в начале деятельности Кириенко в 2005 году), выработка электроэнергии на АЭС России за период с 2005 года до 2017 год выросла на 37 % — с 147,6 млрд кВт·ч до 202,87 млрд кВт·ч, а к 2020 году рост составил более 44 %.
На 2021 год в России на 11 действующих АЭС в эксплуатации находились 38 энергоблоков суммарной установленной мощностью порядка 30,3 ГВт. В 2020 году был побит рекорд СССР по выработке на атомных станциях (215 млрд кВт·ч), доля АЭС в энергобалансе страны около 20,28 %. Зарубежный бизнес-портфель «Росатома» включает 36 энергоблоков в 12 странах, из них 25 энергоблоков в стадии активной реализации в 9 странах.
Директор Института проблем безопасного развития атомной энергетики академик Леонид Большов оценил деятельность Кириенко во главе Росатома как успешную, если сравнить её с прежним периодом развития отрасли (когда российские атомщики были аутсайдерами на мировом рынке технологий) и работой аналогичных иностранных предприятий. Согласно этой оценке, корпорация эффективно решала важные для российской экономики задачи. Основными элементами стратегии Кириенко эксперт назвал ставку на высокотехнологичный экспорт, подъём атомного машиностроения, развитие прикладной науки и строгое обеспечение безопасности. За 11 лет работы отрасли при Кириенко в России на АЭС не произошло ни одного аварийного происшествия с оценкой в два балла или выше по международной семибалльной шкале INES.
Герой России (2018) — за роль в развитии атомной отрасли.
