Кирилл Гребенщиков родился 22 июня 1972 года в Москве, в театральной семье. Отец — Юрий Сергеевич — актер Театра на Таганке, театра имени Станиславского и театра «Ш.Д.И.». Мать — Наталья Федоровна — актриса театра имени Станиславского и преподаватель ВГИКа.
В 15 лет мальчик потерял отца, вечером возвращаясь домой его сбила машина. Через 3,5 месяца, не выходя из комы, отец Гребенщикова скончался, и мальчик остался единственным мужчиной в семье.
После смерти отца, мама Наталья Федоровна много работала, сил и времени было мало тем не менее она сделала многое, чтобы сын успешно поступил в институт.
В 1989 году после окончания школы актер поступает на постановочный факультет Школы-студии МХАТ, на котором он отучился в течение 2-х лет. Затем в 1991 году он поступил на актерский факультет этого же вуза.
В 1992 году исполнил эпизодическую роль в фильме «Русский роман» под руководством В. Македонского.
В 1999 году появился на экранах также в эпизодической роли в культовом фильме «Сибирский цирюльник».
В 2004 году телевизионная карьера актера начала набирать обороты. Его заметили после яркой роли детектива в сериале «Место под солнцем».
Актер регулярно работал в кино, и на сегодняшний день исполнил уже более пятидесяти ролей, включая съемки экранизации всемирно известного произведения Достоевского «Братья Карамазовы».
В 2010 году Гребенщиков сыграл Виктора Зорина в мелодраме «Серафима Прекрасная».
В 2014 году актеру досталась роль врача-неонатолога в медицинской мелодраме «Тест на беременность».
В 2017 году он выступил в главной мужской роли в криминальном фильме «Исчезнувшая».
В 2019 году актер вернется к роли врача-неонатолога Андрея Лазарева во втором сезоне медицинского сериала «Тест на беременность».
Супруга — Ольга Гребенщикова, актриса
Дочь — Полина Гребенщикова