Мерфи родился в 25 мая 1976 года в ирландском городке Дуглас, но детство провел в поселке Баллинтемпл, который находится в том же графстве Корк. Отец актера, Брендан Мерфи, работал в Ирландском департаменте образования, мама преподавала французский язык в школе. Тети, дяди и дед Мерфи тоже были учителями.
Мерфи посещал католическую школу, но из-за непоседливого характера часто попадал в неприятности и получал отстранение от занятий. В итоге через четыре года обучения Мерфи перешел в другую, менее дисциплинированную школу.
Спорт болезненный Киллиан не любил, его занимал мир творчества. В 10 лет мальчик увлекся музыкой и начал писать песни. Как и трое его младших братьев и сестер, он мечтал стать рок-музыкантом и усердно упражнялся в игре на гитаре. Подростком он сколотил группу «The Sons of Mr. Green Genes», куда также вошел его младший брат Пайди.
Все изменилось, когда 16-летний Киллиан попал на урок театрального мастерства, организованный преподавателями его школы. Он признался сам себе, что театр по уровню накала эмоций ничуть не уступает музыке, и присоединился к театральному кружку «Corcadorca».
В 1996 году Мерфи поступил на юридический факультет Ирландского национального университета в Корке, но свой первый же экзамен юноша провалил, потому как, по его словам, у него было никаких амбиций на этом поприще.
В сентябре 1996 года он впервые выступил на профессиональной сцене вместе с приятелями по театральной студии. Постановка называлась «Дискосвиньи» и рассказывала о жизни двух влюбленных подростков. Позднее Мерфи описал этот опыт как «возвышенное» и «полностью живое» ощущение, которое ему очень понравилось. Вскоре Мерфи с труппой театра отправился со спектаклем в двухлетний тур по Европе, Канаде и Австралии; ради этого юноша бросил университет и позабыл про рок-группу.
В 2002 году к Мерфи пришел большой успех – актер снялся главной роли в фильме ужасов Дэнни Бойла «28 дней спустя», получив в 2003 году за эту роль награду Best Newcomer на 8-ой церемонии вручения наград премии «Империя» и в 2004 году премию «Лучший мужской прорыв года» на MTV Movie Awards.
Повсеместный успех и широкое признание пришло к Мерфи в 2005 году, когда он выступил в роли доктора Джонатана Крэйна в «Бэтмен: Начало» Кристофера Нолана.
Также Мерфи снялся в главных ролях в американских фильмах «Насмотревшись детективов» (2007), «Пикок» (2009), «Начало» (2010), «Время» (2011) и британских известных фильмах «Пекло» (2007), «Запретная любовь» (2008), «Отступление» (2011), «Антропоид» (2016) и «Перестрелка» (2016).
С 2013 года Мерфи играет главную роль в британском телесериале «Острые козырьки» о преступной банде Бирмингема в 20-е годы прошлого века. Его герой – главарь мафиозной семьи Шелби, которую прозвали «острыми козырьками» из-за вшитых в кепки лезвий.