彼の最初のアシスタント指揮者としての仕事は1997年秋にウィーン・フォルクスオーパーでのものでした。1999年から2002年の間、キリル・ペトレンコはマイニンゲン劇場の音楽監督を務め、そこでショスタコーヴィチの『ムツェンスク郡のマクベス夫人』でデビューしました。2001年にはクリスティーネ・ミーリッツの演出とアルフレッド・フルドリッカの舞台美術による『ニーベルングの指環』で国際的な評価を得ました。
2002年から2007年までキリル・ペトレンコはベルリン・コミッシェ・オーパーの音楽監督を務めました。ベルリンとマイニンゲンでのポジションと並行して、彼は急速に国際的なキャリアを築きました。重要なデビューには、2000年のマッジョ・ムジカーレ・フィオレンティーノ、2001年のウィーン国立歌劇場とゼンパーオーパー・ドレスデン、2003年のバルセロナ・リセウ、パリ国立オペラ、コヴェントガーデン、バイエルン国立歌劇場、ニューヨーク・メトロポリタン歌劇場、2005年のフランクフルト歌劇場などがあります。2006年から2008年にはペーター・シュタインと共にリヨンでプーシキンのオペラのサイクルを創作し（2010年春にも再演されました）。
2007年7月にベルリン・コミッシェ・オーパーを離れてからは、キリル・ペトレンコはニューヨーク・メトロポリタン歌劇場、コヴェントガーデン、ウィーン国立歌劇場、そして2004年にデビューしたウィーン劇場などで客演指揮者として活動しました。2009年にはバイエルン国立歌劇場で新制作の『イェヌーファ』、フランクフルト歌劇場でプフィッツナーの『パレストリーナ』を指揮しました。
キリル・ペトレンコはベルリン・フィルハーモニー管弦楽団、ベルリン国立歌劇場管弦楽団、ドレスデン国立歌劇場管弦楽団、バイエルン放送交響楽団、バイエルン国立管弦楽団、WDRケルン管弦楽団、ハンブルク・フィルハーモニー管弦楽団、NDRハンブルク交響楽団、フランクフルト博物館管弦楽団、ウィーン放送交響楽団、ウィーン交響楽団、クリーヴランド管弦楽団、イスラエル・フィルハーモニー管弦楽団、グルベンキアン管弦楽団リスボン、サンタ・チェチーリア国立アカデミー管弦楽団、イタリア国立交響楽団（RAI）、ロンドン・フィルハーモニー管弦楽団、オスロ・フィルハーモニー管弦楽団、アムステルダム・コンセルトヘボウ管弦楽団など、最も重要なオーケストラと共演しています。また、ザルツブルク音楽祭やブレゲンツ音楽祭でもコンサートを指揮しました。
キリル・ペトレンコは2013年夏にバイロイトで新制作の『ニーベルングの指環』を指揮しました。2013年9月からはバイエルン国立歌劇場の音楽監督を務め、大成功を収めています。また、2018年からベルリン・フィルハーモニー管弦楽団の新しい音楽監督に任命されました。
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