Kuzma Petrov-Vodkin s-a născut în Khvalînsk (Regiunea Saratov) în familia unui pantofar. A fost expus artei încă din copilărie, luând lecții de iconografie. După finalizarea școlii elementare, a mers la un mic șantier naval pentru o slujbă pe perioada verii, plănuind să-și continue studiile la colegiul feroviar din Samara, dar a căzut examenul de promovare. În anul 1893 s-a înscris la școala de artă a lui Fedor Burov.
În aprilie 1895, Burov moare, iar Petrov-Vodkin își ia diferite slujbe ca pictor în vecinătatea Saratovului. Datorită angajatorului mamei sale este introdus arhitectului R. Meltzer, pe care-l impresionează, iar acesta îl invită să studieze artele în Sankt Petersburg. Educația i-a fost finanțată de către negustorii din Saratov. De asemenea, Borisov-Musatov, un important pictor din Saratov, l-a încurajat să-și continue studiile.
Petrov-Vodkin a stat în Sankt Petersburg între 1895 și 1897 studiind la școala Baron Stieglits, apoi s-a mutat la Moscova la școala de pictură, sculptură și arhitectură. Aici, Petrov-Vodkin a fost studentul lui Valentin Serov, Isaak Levitan și Konstantin Korovin. În 1901 călătorește la München și studiază cu Anton Ažbe, absolvind în anul 1904.
Începutul carierei (1899-1912)
În anul 1906, la Paris o întâlnește pe Maria Jovanovic (1885–1960), fiica unui proprietar de hotel, imigrant sârb. Maria îi rămâne alături pe toată durata vieții. Împreună au avut două fiice.
Încă din perioada colegiului a intrat în dizgrația Bisericii Ortodoxe, după ce a pictat o icoană considerată inacceptabilă, într-una dintre bisericile din Samara. Lucrările sale fiind considerate blasfemii, fiind prea viu colorate și erotice.
Lucrerea sa Visul (1910) a provocat, de asemenea, discuții contradictorii în lumea artistică contemporană rusă. Principalul său critic fiind Ilia Repin, iar principalul apărător fiindu-i Alexandre Benois.
În această perioadă pictează Băieți la joacă și La scăldat pe cal roșu, lucrări remarcabile, care i-au asigurat celebritatea.
Maturitatea artistică (1912-1928)
Din 1924 până în 1926 trăiește în Franța. În 1922 pictează portretul poetei Anna Akhmatova.
În perioada începuturilor sale în pictură, Petrov-Vodkin dezvoltă perspectiva sferică: o viziune curbă unică care distorsiona desenul, astfel încât să prezinte privitorului, lucrurile curbate după curba pământului.
A folosit această tehnică excesiv, în lucrări ca Mortea unui comisar și În linia întâi.
În această perioadă, Petrov-Vodkin a folosit tonuri mai închise, iar lucrările sale au devenit mult mai detaliate.
Cu ajutorul guvernului sovietic, călătorește mult în Uniunea Sovietică, producând lucrări cu scop didactic.
Anii târzii (1928-1937)
În anul 1927, Petrov-Vodkin a fost contaminat cu tuberculoză și a avut o perioadă de inactivitate în următorii ani. Astfel s-a aplecat asupra literaturii, scriind trei volume cu tente autobiografice: Khvalynsk, Spațiul lui Euclid și Samarkandia. Primele două fiind considerate capodopere ale literaturii ruse în acea perioadă.
În anul 1932, K. Petrov-Vodkin a fost ales primul președinte al nou înființatei Uniuni a Artiștilor din Leningrad.
O pictură importantă din această perioadă este 1919. Alarma. (1934).
Petrov-Vodkin a murit din cauza tuberculozei în februarie 1939.