Родился 26 июля 1962 г. в г. Сухуми Абхазской АССР (ныне Сухум, Республика Абхазия). Его отец - Владилен Израитель (1938–1995), доктор философских наук, работал заведующим кафедрой научного коммунизма в Горьковском институте инженеров водного транспорта (ГИИВТ; ныне Волжский государственный университет водного транспорта, Нижиний Новгород), был председателем идеологической комиссии Горьковского обкома КПСС. После перестройки возглавлял компании "Прагма" и "Дело", работавшие в сфере пиара. Мать, Лариса Кириенко, экономист, окончила Одесский экономический институт. В начале 1970-х гг. родители Кириенко разошлись. Мать с сыном переехали в г. Сочи Краснодарского края, где Лариса Васильевна взяла для себя и сына фамилию "Кириенко".
В 1984 г. окончил кораблестроительный факультет Горьковского института инженеров водного транспорта по специальности "судостроение и судоремонт". В 1991-1993 гг. заочно учился в Академии народного хозяйства при правительстве РФ (ныне Российская академия народного хозяйства и государственной службы при президенте РФ) по специализации "финансы и банковское дело".
В 1984-1986 гг. проходил срочную службу в Вооруженных силах СССР.
С 1984 по 1991 г. был членом Коммунистической партии Советского Союза.
В 1986 г. работал мастером на судостроительном заводе "Красное Сормово" (Горький, ныне - Нижний Новгород).
С 1986 г. занимал должность секретаря комсомольской организации цеха, с 1987 г. - освобожденный секретарь комитета Всесоюзного ленинского коммунистического союза молодежи (ВЛКСМ) завода "Красное Сормово".
В 1989-1991 гг. – второй секретарь Горьковского областного комитета ВЛКСМ, ответственный за научно-техническое творчество молодежи и молодежные жилищные кооперативы, член центрального комитета ВЛКСМ.
В 1990-1992 гг. - депутат Горьковского областного Совета народных депутатов.
С 1991 г. занимал должность генерального директора многопрофильного молодежного концерна "АМК" ("Акционерный молодежный концерн").
В 1993–1996 гг. - председатель правления нижегородского банка "Гарантия".
С августа 1994 г. входил в Совет по промышленной политике и предпринимательству при президенте РФ.
В 1996-1997 гг. – помощник на общественных началах депутата Государственной думы РФ Ольги Беклемищевой (фракция "Яблоко").
С ноября 1996 г. по май 1997 г. занимал пост президента государственной нефтяной компании "Норси-Ойл".
С 13 мая 1997 г. по 4 декабря 1997 г. - первый заместитель министра топлива и энергетики РФ Бориса Немцова. С октября 1997 г. - член коллегии представителей государства в акционерной кампании "Транснефть".
С 20 ноября 1997 г. по 23 марта 1998 г. - министр топлива и энергетики РФ в правительстве Виктора Черномырдина.
19 декабря 1997 г. был введен в состав коллегии представителей государства в российском акционерном обществе (РАО, ныне публичное акционерное общество, ПАО) "Газпром". 6 января 1998 г. назначен председателем коллегии представителей государства в РАО "ЕЭС России". 5 мая 1998 г. покинул пост.
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.
18 декабря 1998 г. возглавил учрежденное им общероссийское общественное политическое движение "Новая сила", которое было официально зарегистрировано Минюстом РФ. В 2000 г. "Новая сила" вошла в состав политической организации "Союз правых сил" (СПС).
19 декабря 1999 г. баллотировался на пост мэра Москвы (в паре с кандидатом в вице-мэры Вячеславом Глазычевым, профессором Московского архитектурного института). По итогам голосования занял второе место (11,25%), уступив действующему градоначальнику Юрию Лужкову (69,89%).
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.
20 мая 2000 г. на учредительном съезде Общероссийской политической общественной организации "Союз правых сил" был избран ее сопредседателем (вместе с Анатолием Чубайсом, Егором Гайдаром, Борисом Немцовым и Ириной Хакамадой). Вскоре приостановил свое членство в СПС в связи с переходом на госслужбу.
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.).
Председатель Координационного комитета по проведению конкурсов на предоставление грантов президента РФ на реализацию проектов в области культуры, искусства и креативных (творческих) индустрий (с мая 2021 г.).
Возглавляет наблюдательный совет общества "Знание" (с мая 2021 г.), АНО "Большая перемена" (организатора одноименного конкурса; с ноября 2021 г.), специального государственного фонда "Защитники Отечества", который занимается оказанием помощи ветеранам СВО (с апреля 2023 г.). Член наблюдательного совета АНО "Россия - страна возможностей" (с июля 2019 г.).
Глава Национального совета айкидо России (с 2005 г.), сопредседатель (совместно с вице-премьером Юрием Трутневым) Российского союза боевых искусств.
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).
Герой РФ. Указ о награждении не публиковался, по данным источника ТАСС, он был подписан в марте 2018 г.
Награжден орденами Почета (2005), "За заслуги перед Отечеством" IV степени (2010), отмечен Почетной грамотой правительства (2007) и президента РФ (2016), благодарностью правительства РФ (2016).
Имеет орден Почета Республики Армения (2012).
Женат, трое детей. Старший сын - Владимир (род. 1983), генеральный директор технологической корпорации VK (бывшая Mail.Ru Group).