Обитель возникла на волне основания новых монастырей в конце XIV и начале XV веков последователями Сергия Радонежского. В 1397 году монах Кирилл Белозерский вырыл на берегу Сиверского озера пещеру, с которой началась история будущей обители. Его спутник Ферапонт Белозерский впоследствии основал неподалёку Ферапонтов монастырь. Устав белозерских монастырей отличался особенной строгостью.
В условиях конкуренции Москвы с независимым Новгородом Кириллов монастырь стал не только важнейшим опорным пунктом для закрепления в Заволочье, но и крупным экономическим центром: через него пролегал торговый путь далее на север к Белому морю, здесь пересекались разнонаправленные торговые потоки. До петровского времени монастырь вёл обширную торговлю, особенно солью и рыбой.
Многие из сохранившихся храмов были отстроены в камне на исходе правления Василия III. В 1528 году этот правитель приехал в Кириллов монастырь с княгиней Еленой Глинской молиться о даровании наследника. Последовавшее за этим рождение сына, будущего царя Ивана Грозного, в глазах современников связывалось с заступничеством преподобного Кирилла Белозерского. Иван Васильевич на протяжении всей своей жизни питал к Кириллову монастырю особое пристрастие, считая себя обязанным ему своим рождением. Перед смертью, принимая схиму, первый русский царь, как и его отец, стал пострижником Кирилло-Белозерского монастыря.
Монастырь богател, разрастался и, несмотря на большой пожар в 1557 году, стал крупнейшим средоточием каменных построек на севере Русского государства и крупнейшим церковным землевладельцем после Троицкого монастыря. В монастырских владениях числилось 607 одних только деревень. Кирилловские настоятели занимали заметное место в церковной иерархии и, как правило, со временем переходили на значимые архиерейские кафедры.
В 1722 году в монастырь приезжал Пётр I. Обитель к тому времени была собственником 21 тысячи крестьян, проживавших на территории 16 уездов, однако с появлением у России балтийских портов и упадком северной торговли через Архангельск экономическое значение монастыря стало падать.
Постепенный закат монастыря продолжался и при следующих правителях. В 1764 году указом Екатерины II обитель была лишена крестьян и угодий. Через 12 лет из монастырской слободы был образован город Кириллов, а в крепостной стене помещена городская и уездная тюрьма.
В 1997 году, в год празднования 600-летия монастыря, часть монастырской территории была передана Вологодскому епархиальному управлению. В 1998 году зарегистрирована Православная религиозная организация Кирилло-Белозерский мужской епархиальный монастырь Кириллова Вологодской области Русской Православной Церкви.
Решением Священного синода от 10 октября 2009 года в должности наместника монастыря утверждён иеромонах Игнатий Молчанов.
Решением Священного синода от 22 октября 2015 года игумен Игнатий Молчанов освобождён от должности наместника Кирилло-Белозерского мужского монастыря и назначен на должность наместника Спасо-Прилуцкого Димитриева мужского монастыря города Вологды.
Указом митрополита Вологодского и Кирилловского Игнатия с 14 декабря 2015 года исполняющим обязанности наместника монастыря назначен иеромонах Анастасий Додарчук.
До наших дней почти полностью дошёл иконостас Успенского собора, что является уникальным фактом в истории русского искусства. Древние иконы этого иконостаса долгое время были разрознены. Из 60 уцелевших икон 33 находились в Кириллове, а остальные в Русском музее, Третьяковской галерее и Музее имени Андрея Рублёва. В начале апреля 2009 года часть икон была возвращена в Кириллов.
В церкви Кирилла под спудом пребывают мощи преподобного Кирилла Белозерского, главная церковная святыня обители.
В апреле 2019 года стало известно, что Министерство культуры России передаст Кирилло-Белозерскому монастырю во временное пользование ковчег с частицами мощей 20 святых. Они будут находиться в монастыре пять лет. Монастырь намерен сделать новый серебряный оклад для ковчега. Когда он будет готов, мощи перенесут в церковь Кирилла Белезерского.
