Родилась 5 ноября 1934 г. в городе Сороки (Бессарабия, Румыния, ныне - Молдавия). Ее отец, Юрий Александрович, был секретарем сорокского подпольного уездного комитета коммунистической партии Румынии, пропал без вести в 1941 г. Мать - Наталья Исааковна Короткова-Скурту - член компартии Румынии. Работала в министерстве культуры Социалистической Республики Румыния (СРР), была заместителем министра здравоохранения СРР.
Девичья фамилия - Короткова.
Кира Муратова училась на филологическом факультете Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова. В 1959 г. окончила режиссерский факультет Всесоюзного государственного института кинематографии (ныне - Всероссийский государственный университет кинематографии им. С. А. Герасимова; мастерская Сергея Герасимова и Тамары Макаровой).
С 1961 г. была режиссером Одесской киностудии. Совместно со своим мужем Александром Муратовым в 1962 г. сняла первый короткометражный фильм "У крутого яра", через два года - полнометражную ленту "Наш честный хлеб". Первой самостоятельной работой стала картина "Короткие встречи" (1967), где она сыграла главную роль.
Из-за разногласий с руководством Одесской киностудии некоторое время работала на "Ленфильме", где в 1978 г. сняла картину "Познавая белый свет".
Среди ее работ - "Долгие проводы" (1971, фильм вышел на экраны только в 1987 г., в том же году получил призы на кинофестивалях в Тбилиси и Локарно), "Перемена участи" (1987), "Астенический синдром" (1989, награда на 40-м Берлинском фестивале, премии "Ника" и "Созвездие"). Картина "Настройщик" (2004) удостоена трех премий "Ника", а в 2005 г. - главного приза "Золотая лилия" на 5-м Международном кинофестивале Центрально- и Восточноевропейских фильмов в немецком Висбадене, трех наград Международного кинофестиваля "Евразия" (Алма-Ата, Казахстан) и др. Лента "Мелодия для шарманки" (2009) признана лучшей картиной года на фестивале "Киношок-2009", получила приз за лучшую женскую роль (Елена Косюк) на 31-м Московском международном кинофестивале, премию "Ника". Картины "Вечное возвращение" (2012) была удостоена премии "Ника" и премии Гильдии киноведов и кинокритиков России "Белый слон".
Ко многим фильмам Кира Муратова сама писала сценарии. Снималась в картинах "Опасные гастроли" Георгия Юнгвальд-Хилькевича (1969), "Сад желаний" Али Хамраева (1987), документальном фильме "Посторонний" Владимира Климова (1993).
Кира Муратова скончалась 6 июня 2018 г. в Одессе в возрасте 83 лет. Похоронена 8 июня 2018 г. на Таировском кладбище Одессы.
Народная артистка Украинской ССР (1990).
Была награждена российским орденом Дружбы (2004), украинскими орденами Ярослава Мудрого III, IV и V степеней (2009, 2004, 1999). Лауреат Государственной премии Украины им. Александра Довженко (2002).
Лауреат российской премии "Триумф" (1995). В 2007 г. была удостоена общенациональной программы Украины "Человек года".
Первый муж - режиссер и сценарист Александр Муратов, их дочь Марианна погибла. Второй супруг - живописец, художник-постановщик и соавтор ее сценариев Евгений Голубенко.