Кирилл Семенович родился 11 мая 1902 года в крестьянской семье в селе Гришино Бахмутского уезда Екатеринославской губернии, ныне Красноармейского района Донецкой области.
Окончил четырёхклассную начальную сельскую школу, два класса училища министерства образования («министерское училище»). С 1917 по 1919 годы учился в сельскохозяйственном училище на станции Яма под Бахмутом. Вынужден был прервать учёбу из-за начавшейся Гражданской войны. Вернулся в родное село, работал в сельском ревкоме. При захвате территории губернии войсками Добровольческой армии генерала А. И. Деникина из-за угрозы казни скрывался. После занятия села войсками Красной Армии в августе 1920 года вступил в её ряды. Участник боевых действий Гражданской войны в составе Первой Конной армии. Воевал рядовым против войск генерала Петр Николаевич Врангеля и атамана Нестор Иванович Махно.
Окончил артиллерийское отделение Харьковской объединенной школы червонных старшин (1922 год), курсы усовершенствования командного состава артиллерии РККА в Ленинграде (1928 год), факультет усовершенствования высшего командного состава Военной академии им. Ф. Э. Дзержинского (1939 год).
В период учёбы в Харькове в составе школы участвовал в боях с бандами на Дону и в Донбассе. Москаленко встретил Великую Отечественную войну командиром бригады. Бригада под его руководством участвовала в оборонительных боях в районах городов Луцк, Владимир-Волынский, Ровно, Торчин, Новоград-Волынский, Малин, в обороне переправ через pp. Тетерев, Припять, Днепр, Десна.
С первых сражений Кирилл Семенович не потерял присущего ему хладнокровия, сохранял остроту мышления, личное бесстрашие, всегда находился на линии передовых батарей, стрелявших прямой наводкой. В течение месяца непрерывных боев, находясь на направлении главного удара вражеской группы армий «Юг», бригада уничтожила более 300 танков противника. За боевые успехи, мужество и отвагу К. С. Москаленко 23 июля 1941 года награждён орденом Ленина.
С сентября 1941 года Кирилл Семенович - командир 15-го стрелкового корпуса в составе 5-й армии Юго-Западного фронта, воевал с ним под городами Чернигов, Нежин, Ичня, Пирятин. В декабре 1941 года назначен заместителем командующего 6-й армией Юго-Западного фронта и врио командующего армией. 6-я армия под командованием К. С. Москаленко участвовала в Барвенково-Лозовской наступательной операции и освобождении города Изюм и города Лозовая.
С 12 февраля 1942 года он находился на должности командира 6-го кавалерийского корпуса, с марта по июль 1942 года - командующего 38-й армией (Валуйско-Россошанская оборонительная операция), после преобразования последней с июля 1942 года командовал 1-й танковой армией, с которой участвовал в боях на дальних подступах к Сталинграду (июль - август 1942 года). В августе 1942 года он был назначен командующим 1-й гвардейской армией, с которой до октября 1942 года участвовал в Сталинградской битве. В октябре 1942 года был назначен командующим 40-й армией, командуя которой в 1943 году участвовал в Острогожско-Россошанской операции, первом освобождении Харькова, Курской битве, форсировании Днепра. Указом Президиума Верховного Совета СССР от 23 октября 1943 года за мужество и героизм, проявленные при форсировании Днепра и закреплении плацдарма на его западном берегу, командующему 40-й армией генерал-полковнику Москаленко Кириллу Семёновичу присвоено звание Героя Советского Союза.
С октября 1943 года и до конца войны К.С. Москаленко вновь был командующим 38-й армией. После войны К. С. Москаленко командовал 38-й армией, переброшенной в Прикарпатский военный округ. С августа 1948 года - командующий войсками Московского района (впоследствии Московского округа) ПВО. Участвовал в аресте Лаврентия Павловича Берии в июне 1953 года. С июня 1953 года - командующий войсками Московского военного округа. В 1955 г. ему присвоено воинское звание «Маршал Советского Союза». С 1960 года - Главнокомандующий РВСН - заместитель Министра обороны СССР. С 1962 года - главный инспектор Министерства обороны СССР - заместитель Министра обороны СССР. За заслуги перед Родиной в развитии и укреплении Вооружённых Сил СССР 21 февраля 1978 года награждён второй медалью «Золотая Звезда». С декабря 1983 года он работал в Группе генеральных инспекторов МО СССР. Автор мемуаров.
Кирилл Семёнович Москаленко скончался 17 июня 1985 года в Москве, похоронен на Новодевичьем кладбище.