2012年4月8日に松下IMPホールで岩永勝利とフェザー級4回戦を戦い、1回1分9秒KO勝ちを収めデビュー戦を白星で飾ったが、同年7月29日に松下IMPホールで御木雅行とフェザー級4回戦を戦い、4回0-3（38－39×2、37－39）の判定負けでプロ初黒星を喫した。2013年、西日本スーパーフェザー級新人王予選で大里拳と対戦して4回0-3（38－40、36－40×2）の判定負けを喫し、翌2014年はスーパーライト級で西日本新人王予選に出場するも、判定負けを喫している。2015年9月30日に後楽園ホールで日本ウェルター級7位の糸山良太と69.5キロ契約8回戦を戦い、7回1分24秒TKO勝ちを収めた。なお翌月2日にJBCの発表した最新ランキングで初めてウェルター級日本ランク入りを果たす。その後3連勝して2016年12月4日に大阪府立体育会館第2競技場で行われた「第10回クラッシュボクシング」にてジェイヤー・インソンとWBOアジア太平洋ウェルター級王座決定戦を行い、7回2分26秒TKO負けを喫してアジア太平洋王座獲得に失敗した。5か月後の2017年5月26日に後楽園ホールで松永宏信と対戦予定だったが、松永の怪我のため中止になった。同年10月21日、後楽園ホールで開催された「日本タイトル最強挑戦者決定戦」にて尹文鉉とウェルター級8回戦を戦い、8回2-0（77-75×2、76-76）の判定勝ちを収めて日本タイトルへの挑戦権を獲得した。2018年4月16日に後楽園ホールで行われた「アンタッチャブルファイト27」のメインイベントにて日本ウェルター級王者有川稔男と日本ウェルター級タイトルマッチを行い、8回0分58秒TKO勝ちを収めて日本王座獲得に成功した。なおこの試合で第39回チャンピオンカーニバルの殊勲賞を獲得したそして同年8月11日に枚方市総合体育館で日本ウェルター級9位の岡本和泰と日本ウェルター級タイトルマッチを行い、7回2分3秒TKO勝ちを収めて日本王座初防衛に成功した。同年12月9日に大阪府立体育会館第二競技場で日本ウェルター級7位の藤中周作と日本ウェルター級タイトルマッチを行い、9回2分37秒TKO勝ちを収めて日本王座2度目の防衛に成功した。2019年4月21日、大阪府立体育会館第2競技場で日本ウェルター級1位の永野祐樹と対戦し、7回1分9秒TKO負けを喫し2度目の防衛に失敗、王座から陥落した。2019年8月4日、大阪府立体育会館第2競技場でインドネシアウェルター級王者のロバート・コパ・パルエと対戦し、4回2分22秒KO勝ちを収め、再起に成功した。
1997年、16歳でロシア・バスケットボール・スーパーリーグのスパルタク・サンクトペテルブルクにてプロデビュー。その翌年、名門CSKAモスクワに移籍し2001年までプレー。1999年のNBAドラフトでユタ・ジャズから1巡目24位の指名を受けるが、当時所属していたCSKAモスクワとの契約が残っていたため、NBA入りを果たしたのは2001年のことである。最初の2シーズン、ジャズの中心はNBA最高のコンビといわれるジョン・ストックトンとカール・マローンだったため、キリレンコはこれといって目立つ存在ではなかった。2003年オフ、マローンの移籍とストックトンの引退に伴いジャズはチームの再建を図る。2003-04シーズンに入るとキリレンコはスターターの座を確保し、ジャズの中心選手として活躍。23歳の若さでオールスター初出場も果たした。この年はいずれもチーム1位となる1試合平均16.2得点、8.2リバウンド、1.92スティール、2.76ブロック（リーグ3位）、出場時間37.1分を記録。開幕前にはマローンとストックトンが抜け何一つ残っていないと思われたジャズがプレイオフ進出を果たす大きな原動力となった。2004-05シーズン、オフに大型契約を結びヤル気満々でリーグ戦に臨んだキリレンコであったが、シーズン途中で故障にみまわれ、82試合中41試合の欠場を余儀なくされチームもプレーオフ進出を逃してしまう。しかし欠場は多かったものの1試合平均3.32ブロックをマークし、スモールフォワードとしては異例となるブロックショットのタイトル獲得を成し遂げた。迎えた2005-06シーズン、ジャズはドラフト3位でデロン・ウィリアムスを獲得し、2年ぶりのプレーオフ進出を狙ったが、キリレンコはまたも13試合で欠場してしまう。ジャズは82試合のうち、キリレンコが先発出場した63試合では36勝27敗と勝ち越したが、それ以外では5勝14敗、欠場した試合では3勝10敗と苦戦を強いられた。結局チームはまたしてもプレーオフ進出を逃してしまう。しかしキリレンコ個人の内容は悪くなく、マルチなプレーで活躍をみせた。度重なる故障に見舞われながらも単身でストックトン・マローン時代以降のジャズを支えてきたキリレンコだが、2006-07シーズンに入るとウィリアムス・カルロス・ブーザーのコンビが台頭し、キリレンコは望むような役割を得られなかった。チームは51勝31敗の好成績で4シーズンぶりのプレイオフに進出し、プレイオフではカンファレンスファイナルまで勝ち進んだが、快進撃をしたチームの一方でキリレンコ自身は8.3得点4.7リバウンドと過去最低の成績に終わった。自身の扱いに不満を持ったキリレンコはトレード要求し、チームとの関係は悪化したが、夏のユーロバスケットではロシアを優勝に導き、18得点8.6リバウンドの大会成績を残したキリレンコは大会MVPに選ばれて改めてその実力を示し、ジャズの一員として2007-08シーズンを迎えた。2011年、古巣のPBC CSKAモスクワに復帰。2012年7月27日、ミネソタ・ティンバーウルブズと契約を結んだ。2013年7月12日、ブルックリン・ネッツと二年契約を結んだ。2014年12月11日、フィラデルフィア・セブンティシクサーズに移籍したが、チーム合流を拒否し、出場停止処分を受けた後、バイアウトで解雇された。2015年2月23日、自身3度目となるCSKAモスクワと契約。6月2日にバスケットボール界からの引退するという噂が駆け巡ったが、キリレンコ本人は否定。その後、結局23日に正式に引退を表明した2016年3月28日、ユタ・ジャズは本拠地ビビント・スマート・ホーム・アリーナでのロサンゼルス・レイカーズ戦で、キリレンコの功績を讃える記念式を開催。ジャズの一員として引退式が執り行われた。