Родился в Саратовской губернии в семье сапожника.

На талантливого юношу обратил внимание архитектор Р.Ф. Мельцер, гостивший у своей знакомой купчихи и меценатки Ю. И. Казариной, у которой работала прислугой мать Петрова-Водкина. Мельцер и Казарина сыграли огромную роль в жизни художника.

С сентября 1895 года Петров-Водкин учился в петербургском Центральном училище технического рисования Штиглица, а летом 1897 года переехал в Москву и поступил в Московское училище живописи, ваяния и зодчества, где наставником Кузьмы Сергеевича был великий русский художник Серов.

Побывал в Западной Европе, на Средиземноморье, в северной Африке. Изучение работ европейских мастеров сформировало у Петрова–Водкина свой, неповторимый стиль творчества.

После революции Петров–Водкин работал в театре, пробовал себя в качестве литератора, писал рассказы и очерки. Занимался научной деятельностью - писал статьи об искусстве, преподавал.