Игорь Всеволодович Можейко родился 18 октября 1934 года в Москве, в семье Всеволода Николаевича Можейко (1908—1977) и Марии Михайловны Булычёвой (1905—1986).
Отец, Всеволод Николаевич Можейко, выходец из белорусско-литовских шляхтичей Можейко герба Трубы, в 15 лет формально ушёл из дома, скрыв своё дворянское происхождение и устроившись учеником на завод. В 1922 году, в возрасте 17 лет, он прибыл в Петроград.
Работал там слесарем, а по окончании рабфака поступил на юридический факультет университета, параллельно работая в профсоюзе. Инспектируя однажды карандашную фабрику Хаммера, он познакомился там с работницей Марией Михайловной Булычёвой, с которой вступил в брак в 1925 году.
Мать была дочерью офицера, полковника Михаила Булычёва, преподавателя фехтования Первого Кадетского корпуса, и до революции обучалась в Смольном институте благородных девиц. После революции она освоила рабочую специальность, а затем окончила автодорожный институт. В 1930-е годы служила комендантом Шлиссельбургской крепости, а во время войны работала начальником авиадесантной школы в г. Чистополь.
В 1939 году отец оставил семью, и мать повторно вышла замуж за крупного учёного в области фотографической технологии, доктора химических наук Якова Исааковича Бокиника, уроженца Одессы, автора монографий «Курс общей фотографии» (с соавторами, 1936), «Оптическая сенсибилизация фотографических слоёв» (1937), «Цветная фотография» (1939), «Инструкция для получения цветных изображений по способу „хромоцвет“» (1940), «Теория и практика цветной фотографии» (1941).
Я. И. Бокиник работал научным сотрудником в лаборатории А. И. Рабиновича в Научно-исследовательском кинофотоинституте (НИКФИ), где занимался разработкой адсорбционной теории фотографического проявления, исследованием влияния адсорбции на сенсибилизирующее действие красителей и восприимчивости эмульсий к оптической сенсибилизации. В новой семье родилась младшая сестра будущего фантаста Наталья. Отчим погиб на фронте в последние дни Великой Отечественной войны, 7 мая 1945 года в Курляндии.
После окончания школы Игорь по комсомольской разнарядке поступил в Московский государственный институт иностранных языков имени Мориса Тореза, который окончил в 1957 году. Два года работал в Бирме переводчиком и корреспондентом АПН, в 1959 году вернулся в Москву и поступил в аспирантуру Института востоковедения АН СССР.
Писал историко-географические очерки для журналов «Вокруг света» и «Азия и Африка сегодня». В 1962 году окончил аспирантуру, с 1963 года работал в Институте востоковедения, специализируясь на истории Бирмы. В 1965 году защитил кандидатскую диссертацию по теме «Паганское государство (XI—XIII века)», в 1981 году — докторскую диссертацию по теме «Буддийская сангха и государство в Бирме». В научном сообществе известен трудами по истории Юго-Восточной Азии.
Первый рассказ, «Маунг Джо будет жить», опубликован в 1961 году. Фантастику начал писать в 1965 году, фантастические произведения издавал исключительно под псевдонимом. Первое фантастическое произведение — рассказ «Долг гостеприимства», был опубликован как «перевод рассказа бирманского писателя Маун Сейн Джи». Этим именем Булычёв впоследствии пользовался ещё несколько раз, но большинство фантастических произведений публиковались под псевдонимом «Кирилл Булычёв» — псевдоним был скомпонован из имени жены и девичьей фамилии матери писателя.
Впоследствии имя «Кирилл» на обложках книг стали писать сокращённо — «Кир.», а потом была «сокращена» и точка, так и получился известный сейчас «Кир Булычёв». Встречалось и сочетание Кирилл Всеволодович Булычёв. Своё настоящее имя писатель сохранял в тайне до 1982 года, поскольку полагал, что руководство Института востоковедения не посчитает фантастику серьёзным занятием, и боялся, что после раскрытия псевдонима будет уволен.
Издано несколько десятков книг, общее количество опубликованных произведений — сотни. Помимо написания своих произведений, занимался переводом на русский фантастических произведений американских писателей.
Экранизировано более двадцати произведений, в частности, по повести «Сто лет тому вперёд» (1977) снят пятисерийный фильм «Гостья из будущего» — один из самых популярных в СССР детских фильмов середины 1980-х. В 1982 году стал лауреатом Государственной премии СССР за сценарии к художественному фильму «Через тернии к звёздам» и полнометражному мультфильму «Тайна третьей планеты». При вручении Государственной премии и был раскрыт псевдоним, впрочем, ожидаемое увольнение не состоялось.
Кир Булычёв был членом Творческих Советов журналов фантастики «Полдень. XXI век» и «Если». Журнал «Если» был даже спасён Булычёвым в середине 90-х, когда оказался под угрозой финансового краха.
Лауреат премии в области фантастики «Аэлита» (1997). Кавалер «Ордена рыцарей фантастики» (2002).
Жена — Кира Алексеевна Сошинская — писательница-фантастка, художница, иллюстратор его книг, переводчица, архитектор по образованию; дочь — Алиса Лютомская (Можейко; род. 1960) — архитектор, в её честь названа Алиса Селезнёва; внук Тимофей — студент МАрхИ, вся семья занимается дайвингом.
Умер 5 сентября 2003 года в возрасте 68 лет, в Москве, в НИИ скорой помощи им. Н. В. Склифосовского после тяжёлого и продолжительного онкологического заболевания. Похоронен в Москве на Миусском кладбище.
В 2004 году Кир Булычёв посмертно стал лауреатом шестой международной премии в области фантастической литературы имени Аркадия и Бориса Стругацких («АБС-премия») в номинации «Критика и публицистика», за серию очерков «Падчерица эпохи».