Киллиан Мерфи родился 25 мая 1976 года в Дугласе, графство Корк, Ирландия. Его отец, Брендан, работает в Ирландском Департаменте образования, а мать – учителем французского языка в школе.

Кроме Киллиана в семье выросли еще трое детей, две девочки и еще один мальчик.

Учился Мерфи в колледже Presentation Brothers в городе Корк.

Во время учебы в колледже, он увлекался музыкой и даже играл в рок-группе «The Sons of Mr. Green Genes».

После колледжа Киллиан поступил на юридический факультет в Университет Корка, где начал принимать активное участие в школьном театре.

В 1996 году Мерфи бросил учебу ради актерской карьеры. Он много раз ходил на прослушивания в Corcadorca Theatre Company и спустя несколько месяцев он получил роль Свина в постановке Энды Уолш «Дискосвиньи». Пьеса имела очень большой успех в Ирландии.

В 1998 году Мерфи получил небольшую роль в фильме «The Tale of Sweety Barrett», а в 1999 году главную роль в фильме «Солнечный ожог».

В том же 1999 году Киллиан вместе с Дэниэлем Крэйгом в военной драме «В июле 1916: Битва на Сомме».

В 2001 году с участием Мерфи вышли картины «Как Гарри превратился в дерево», «На краю» и экранизация его дебютной пьесы «Дискосвиньи». Также в 2001 году он снялся в мини-сериале «Дороги, которые мы выбираем».

В 2002 году Киллиан сыграл главную роль в фантастическом триллере «28 дней спустя», после которой он стал известен на весь мир.

В 2003 году он вместе Скарлетт Йоханссон и Колином Фёртом снялся в картине «Девушка с жемчужной сережкой», вместе с Колином Фарреллом в фильме «Разрыв», а вместе с Джудом Лоу, Николь Кидман и Рене Зеллвегер в фильме «Холодная гора».

В 2005 году Киллиан получил роль доктора Крейна в фильме «Бэтмен: Начало», главную роль в котором исполнил Кристиан Бэйл.

В том же 2005 году Киллиан снялся в еще двух картинах - «Ночной рейс», где он сыграл пособника террористов Джексона Риппнера и «Завтрак на Плутоне», за роль в котором он номинировался на «Золотой глобус».

Затем он получил роли в фильмах «Ветер, который качает вереск» (2006), «Пекло» (2007), «Насмотревшись детективов» (2007) и «Запретная любовь» (2008).

В том же 2008 году Киллиан вновь сыграл роль доктора Крейна во втором фильме Кристофера Нолана о Бэтмене под названием «Темный рыцарь».

В 2010 году Киллиан снялся в еще одном фильме режиссера Кристофера Нолана «Начало», в котором также снялись Леонардо ДиКаприо, Джозеф Гордон-Левитт, Эллен Пейдж, Марион Котийяр и Том Харди.

В 2011 году с участием Мерфи вышли картины «Побег», «Время» и «Красные огни».

В 2012 году Киллиан Мерфи снялся в картинах «Сломленные» и «Темный рыцарь: Возрождение легенды».

В конце 2012 года он приступил к съемкам в главной роли в сериале «Острые козырьки», премьера которого состоялась осенью 2013 года.

В 2014 году с участием Мерфи состоялась премьера двух картин - «В воздухе» и «Превосходство».

В том же 2014 году Киллиан вместе с Крисом Хемсвортом и Шарлоттой Райли приступил к съемкам в драме «В сердце моря», выход которой назначен на декабрь 2015 года.