В 1984 году окончил кораблестроительный факультет Горьковского института инженеров водного транспорта. В 1991 – 1993 годах обучался в Академии народного хозяйства при Правительстве РФ по специальности «финансы и банковское дело».
С 1993 по 1996 год – председатель правления банка «Гарантия».
С августа 1994 года – член Совета по промышленной политике и предпринимательству при Президенте РФ.
С 1996 по 1997 год – президент нефтяной компании «Норси-ойл».
С 13 мая 1997 года − первый заместитель министра топлива и энергетики РФ.
В октябре 1997 года назначен руководителем Межведомственной комиссии по вопросам доступа независимых организаций к газотранспортной системе РАО «Газпром».
С октября 1997 года – член коллегии представителей государства в АК «Транснефть».
С 20 ноября 1997 года Указом Президента РФ Бориса Ельцина назначен министром топлива и энергетики Российской Федерации.
24 апреля 1998 года Указом Президента РФ назначен Председателем Правительства РФ. 23 августа того же года правительство Кириенко было отправлено в отставку в полном составе.
19 декабря 1999 года избран депутатом Государственной Думы Федерального Собрания РФ.
Избран лидером фракции «Союз правых сил» в Государственной Думе третьего созыва.
18 мая 2000 года Указом Президента РФ Владимира Путина назначен полномочным представителем Президента РФ в Приволжском федеральном округе.
С мая 2001 года – председатель Государственной комиссии РФ по химическому разоружению.
15 ноября 2005 года распоряжением Правительства РФ назначен руководителем Федерального агентства по атомной энергии.
С 12 декабря 2007 года – генеральный директор Государственной корпорации по атомной энергии «Росатом».
Сергей Кириенко награжден орденом Почёта, орденом «За заслуги перед Отечеством» IV степени, орденом Святого преподобного Серафима Саровского II степени, орденом преподобного Сергия Радонежского I степени, медалью Анатолия Кони.