У 1959 році закінчила режисерський факультет ВДІКу (майстерня Сергія Герасимова і Тамари Макарової) у Москві. У 1961 році стала штатною режисеркою на Одеській кіностудії. Дебютними кінороботами стали короткометражний фільм «Біля Крутого Яру» (1962) та повнометражна стрічка «Наш чесний хліб» (1964), які вона поставила спільно з чоловіком Олександром Муратовим з яким вона одружилася ще будучи студенткою ВДІКу.

Фільм «Короткі зустрічі» (1967) став першою самостійною роботою Кіри Муратової як режисерки. До нього вона ж написала і сценарій (у співавторстві з Леонідом Жуховицьким) та зіграла головну роль разом з Володимиром Висоцьким.

З середини 1970-х років працювала на кіностудії «Ленфільм» у Ленінграді (нині Санкт-Петербург), де познайомилася з художником Євгеном Голубенком, який став її другим чоловіком і співавтором сценаріїв.

За час своєї творчої кар'єри поставила 22 фільми, деякі з яких були високо оцінені національними та міжнародними професійними та фестивальними кінонагородами.

У 1997 Муратова отримала почесне звання академіка Національної академії мистецтв України.

У 2017 році Кіру Муратову було запрошено до складу Американської кіноакадемії, яка визначає володарів премії «Оскар».

Народна артистка України (1998), Лауреатка Національної премії України імені Тараса Шевченка (1993) та Державної премії імені Олександра Довженка за вагомий внесок у розвиток вітчизняного кіномистецтва (2002); нагороджена українськими та іноземними орденами та медалями, Почесна громадянка Одеси (2017).

Померла 6 червня 2018 року в Одесі.