К 1905—1909 годы был в семейном конфликте с императором Николаем II в связи со своим несанкционированным императором браком с Викторией Мелитой, разведённой с родным братом российской императрицы Александры Федоровны Эрнстом-Людвигом. Впоследствии брак был признан.
В 1909—1912 гг. служил на крейсере «Олег», последний год — командиром. С 1913 года — в Гвардейском экипаже, а с 1914 года, с началом Первой мировой войны, продолжил службу в штабе верховного главнокомандующего. С 1915 года — командир Гвардейского экипажа. В феврале 1917 года доставил моряков экипажа в Петроград по приказу генерала Гурко, зная об открытом саботаже генералом приказа Императора об отправке в Петроград Уланского полка и сотни казаков. Некоторыми историками данный факт рассматривается в качестве доказательства принадлежности Кирилла к думско-офицерскому заговору против Николая II.
В дни Февральской революции, Кирилл Владимирович, вместо поддержки Николая II, предпринял шаги, которые, по оценке историка В. М. Хрусталёва, пагубным образом повлияли на историю России. Он стал первым из членов императорской фамилии, нарушивших присягу царю и заявивший, что он лично и вверенная ему воинская часть перешли на сторону Государственной думы и рады происходящей революции. Его поведение в дни революции впоследствии ставилось ему в вину его противниками, но не помешало ему самому претендовать на российский престол.
В начале беспорядков месте с великим князем Павлом Александровичем участвовал в подготовке проекта манифеста («великокняжеский манифест»), который они хотели вручить на подпись Николаю II. План предусматривал сохранение на престоле императора Николая II путём частичных уступок умеренному крылу революционеров (принятие конституции и назначение «ответственного министерства» — Россия становилась конституционной монархией).
Кирилл Владимирович, по воспоминаниям ряда современников и по своим собственным словам, 1 (14) марта 1917 года перешёл на сторону революции, надев «красный бант».
Сам великий князь, уже находясь в эмиграции, так объяснял своё появление под Государственной думой с красным бантом во главе своей воинской части: у него был выбор, или подчиниться приказу новых властей и привести вверенную ему часть к Думе для присяги новой власти или подать в отставку, бросив его подчинённых на произвол судьбы; в те часы только одно заботили великого князя —любой ценой, даже ценой собственной чести, способствовать восстановлению порядка в столице, чем способствовать скорейшему возвращению в неё законного монарха — если бы он смог вернуться во главе верных войск, порядок всё ещё мог бы быть восстановлен. Историк В. М. Хрусталёв, комментируя эти объяснения великого князя, отмечает, что навряд ли они были искренними, так как ещё за несколько часов до прибытия Кирилла Владимировича в Таврический дворец, в комендатуре дворца были уведомлены о переходе Гвардейского экипажа на сторону Государственной думы из копии следующей записки, которая была разослана Кириллом Владимировичем начальникам частей, расквартированных, как и Гвардейский экипаж, в Царском Селе: «Я и вверенный мне Гвардейский экипаж вполне присоединились к новому правительству. Уверен, что и вы, и вся вверенная вам часть также присоединитесь к нам. Командир Гвардейского экипажа Свиты Его Величества контр-адмирал Кирилл», а впоследствии моряки Гвардейского экипажа по приказу великого князя заняли Царскосельский и Николаевский вокзалы, чтобы воспрепятствовать верным Николаю II войскам прибыть в столицу.
8 марта 1917 года Временное правительство отдало приказ об аресте Николая II и его семьи. Кирилл Владимирович в знак протеста подал в отставку. Вскоре он нелегально выехал в Финляндию, которая тогда ещё оставалась в составе Российской империи, где у него родился сын Владимир, после смерти отца унаследовавший его претензии на главенство в Императорском доме.
В период Гражданской войны в России Кирилл Владимирович искал возможные пути к восстановлению монархии. Для этого он встречался с генералом Маннергеймом, направил своего представителя к Юденичу, вёл переговоры с некоторыми немецкими генералами, но, поняв, что белое движение обречено, оставил мысль о вооружённом сопротивлении. Вскоре ему пришлось эмигрировать в Швейцарию.
После расстрела в 1918 году в Екатеринбурге Николая II и его семьи, а также его брата Михаила Александровича, Кирилл Владимирович оказался старшим членом династии. 31 августа 1924 года он, несмотря на то, что Советский Союз уже был признан некоторыми государствами, на правах старшего представителя династии провозгласил себя императором Всероссийским под именем Кирилла I. Это решение было поддержано далеко не всеми русскими монархистами, указывавшими на участие Кирилла в Февральской революции и на то, что Николай II не признавал его брака (подробнее см. ниже). Кирилл Владимирович 30 апреля 1924 года создал Корпус Императорской Армии и Флота, в составе которого в 1928 году было 15 тысяч человек.
После эмиграции Кирилл Владимирович и его жена поселились в Кобурге, где жил двоюродный брат великой княгини Виктории Фёдоровны герцог Карл Эдуард. Виктория Фёдоровна и Кирилл Владимирович жертвовали средства в начале 1920-х годов нацистской партии. Виктория Фёдоровна даже продала для этого свои фамильные драгоценности. Деньги нацистам передавались через русского генерала-эмигранта Василия Бискупского.
Находясь в эмиграции, Кирилл Владимирович много помогал безработным, заботился о русских беженцах. Ненависть к советскому народу он строго осуждал, отдавая преимущество народному труду. «Промысел Божий, престол государев, труд народный — вот те силы, которые приведут Россию снова к светлым дням. Не нужно уничтожать никаких учреждений, жизнью вызванных, но необходимо отвернуться от тех из них, которые оскверняют душу человеческую», — писал он. «Я неоднократно подтверждал, что вера моя в русский народ непоколебима, — говорил он в 1931 году. — Я всегда был убежден, что коммунизм изживет себя, и на его развалинах вырастут новые живые силы народа, которые и возьмут власть в свои руки… Эти силы выведут Россию на путь возрождения и создадут ей великое будущее. Моя задача и заключается в том, чтобы помочь выявлению этих русских народных сил».
Кирилл Владимирович скончался 12 октября 1938 года в одной из клиник Парижа. Родственники утверждали, что причиной его смерти стала болезнь ног — последствия ран, полученных при гибели «Петропавловска». Во французской прессе того времени сообщалось, что причиной смерти была длительная и мучительная подагра, связанная с весьма неумеренным употреблением алкоголя. Вместе со своей супругой Викторией Фёдоровной (урождённой Принцессой Великобританской, Ирландской и Саксен-Кобург-Готской Викторией-Мелитой) он был похоронен в Кобурге (Германия) в родовой усыпальнице Герцогов Саксен-Кобург-Готских. 7 марта 1995 года их останки были торжественно перезахоронены в Великокняжеской усыпальнице Петропавловского собора Санкт-Петербурга.