Родился в селе Гришино, ныне Красноармейского района Донецкой области в семье крестьянина. Украинец. В Советской Армии с 1920 года. Участник Гражданской войны. В 1922 году окончил Украинскую объединённую школу красных командиров. В 1926 году был принят в ВКП(б). Проходил службу на различных должностях младшего командного состава артиллерийских и стрелковых частей. В 1938 году направлен на учёбу и в 1939 году окончил факультет усовершенствования высшего комсостава при Военной артиллерийской академии имени Ф.Э.Дзержинского.
    В советско-финляндскую войну начальник артиллерии 51-й стрелковой дивизии. С мая 1941 года командир 1-й моторизованной противотанковой артиллерийской бригады. В июне 1941 года ему было присвоено воинское звание генерал-майор артиллерии. В ходе войны командовал 1-й противотанковой артиллерийской бригадой, 15-м стрелковым и 6-м кавалерийским корпусами, конно-механизированной группой на Юго-Западном фронте, затем был заместителем командующего 6-й армией (1941 - 1942), командующим 38-й (март - июль 1942, октябрь 1943 - май 1945), 1-й танковой (июль - август 1942), 1-й гвардейской (август - октябрь 1942) и 40-й (октябрь 1942 - октябрь 1943) армиями.
    В 1943 году К.С.Москаленко было присвоено звание Герой Советского Союза. Войска под его командованием сражались в Московской, Сталинградской и Курской битвах, участвовали в освобождении Левобережной и Правобережной Украины, Польши и Чехословакии.
    После войны командовал армией, войсками Московского района (переименован в округ) ПВО. В 1953 - 1960 годах командовал войсками Московского военного округа. В 1955 году ему было присвоено воинское звание Маршал Советского Союза.
    Главнокомандующий Ракетными войсками стратегического назначения с 26 октября 1960 года по 24 апреля 1962 года. 
    После назначения на должность главкома продолжил и завершил переформирование ракетных бригад в ракетные дивизии и формирование отдельных ракетных корпусов МКР. Активно участвовал в принятии на вооружение и постановке на боевое дежурство нового ракетного комплекса средней дальности Р-14, проведении первых пусков РСД Р-12У и МКР Р-16У из шахтных пусковых установок.
    Руководил летными испытаниями МКР Р-9А, принятием этого комплекса на вооружение и постановкой его на боевое дежурство.
    Установил единую систему боевого дежурства, с введением которой РВСН стали войсками постоянной боевой готовности.
    Добился введения льгот для личного состава дежурных сил по денежному и вещевому довольствию, продовольственному снабжению и дополнительных отпусков.
    Утвердил и ввел в действие новые боевые графики подготовки и пуска ракет с групповых стартов наземного и шахтного типа, основанные на более совершенной технологии работ боевыми расчетами на технической и стартовой позициях, что позволило существенно сократить время на подготовку и пуск ракет из различных степеней боевой готовности. Создал в РВСН сеть военно-учебных заведений для подготовки офицеров-ракетчиков. Участвовал в организации запуска первого в мире человека в космос - Ю.А. Гагарина 12 апреля 1961 года.
    В период с 1962 года по 1982 год - главный инспектор министерства обороны СССР - заместитель министра обороны СССР. В 1978 году К.С.Москаленко стал дважды Героем Советского Союза. С 1983 года в Группе генеральных инспекторов министерства обороны СССР.
    Член ЦК КПСС с 1956 года. С 1946 года избирался депутатом Верховного Совета СССР 2—10-го созывов. Награждён семью орденами Ленина, орденом Октябрьской революции, пятью орденами Красного Знамени, двумя орденами Суворова 1-й степени, двумя орденами Кутузова 1-й степени, орденом Богдана Хмельницкого 1-й степени, «За службу Родине в Вооружённых Силах СССР» 3-й степени и медалями, а также иностранными орденами, Герой Чехословацкой Социалистической Республики (1969). Награжден Почетным оружием.
    Похоронен Кирилл Семёнович Москаленко на Новодевичьем кладбище в Москве. Бронзовый бюст установлен в Красноармейске Донецкой области, мемориальная доска - в Харькове.