Кира Муратова родилась 5 ноября 1934 года в городе Сороки, Бессарабия, Королевство Румыния (ныне - город Сороки, Молдова). Ее девичья фамилия Короткова.
Народная артистка Украинской ССР (1990).
Муратова училась на филологическом факультете МГУ, в 1959 году окончила режиссерский факультет ВГИКа (мастерская Сергея Герасимова и Тамары Макаровой).
В 1961 году Кира Муратова стала режиссером на Одесской киностудии.
Спустя год, в 1962 году, Муратова дебютировала как сценарист и режиссер совместно со своим будущим мужем Александром Муратовым поставив короткометражный фильм У крутого яра. Еще через два года они сняли полнометражную ленту Наш честный хлеб.
Первой самостоятельной работой Киры Муратовой стала картина Короткие встречи, где она сыграла вместе с Владимиром Высоцким. Фильм вышел на экраны 13 июля 1967 года. Полноценный показ картины начался в 1987 году, тогда его посмотрели более 4 млн зрителей.
Выпуск следующей картины режиссера Долгие проводы (1971) был приостановлен специальным постановлением ЦК компартии Украины более чем на полтора десятилетия. Фильм вышел на экраны в 1987 году. Картина получила премию на Международном кинофестивале в Локарно.
После скандалов с руководством Одесской киностудии, Муратова уехала из Одессы в Ленинград, где на киностудии Ленфильм появилась картина Познавая белый свет (1978). Тогда же Муратова познакомилась с художником Евгением Голубенко, ставшим ее вторым мужем и соавтором сценариев.
Среди наиболее заметных работ режиссера - Перемена участи (1987) и Астенический синдром (1989). Последняя картина была удостоена Специального приза жюри Серебряный медведь 40-го Берлинского кинофестиваля (1990 год) и кинопремии Ника за лучший игровой фильм (1991 год).
В 2012 году, после премьеры картины Вечное возвращение Муратова заявила, что уходит из кинематографа.
В 2017 году Киру Муратову пригласили в состав Американской киноакадемии, которая определяет обладателей премии Оскар.