A un any d’edat anà a viure amb els seus pares al refugi de Cap del Rec (Cerdanya), cosa que li donà una gran familiaritat amb l’alta muntanya i l’esquí i facilità que es pogués entrenar en el medi alpí. Dedicat a la competició d’alt nivell (especialitat muntanya i escalada) des del 2005, aquest mateix any ingressà al centre d’educació física de la Universitat de Perpinyà de Font-romeu (Alta Cerdanya), on compaginà la formació amb l’entrenament. Des d’aleshores, ha anat ampliant un palmarès com més va més extraordinari, molt sovint al límit de les capacitats humanes, que l’ha convertit en una figura mundial dels esports de muntanya i de l’esport en general.
En la categoria d’esquí de muntanya, ha guanyat, entre d’altres, la Copa del Món individual (2010, 2011, 2012, 2016), la Copa del Món en modalitat vertical (2016), el Campionat del Món també en modalitat vertical (2010, 2011, 2013, 2015, 2017), el Campionat del Món individual (2011, 2015) i el Campionat d’Europa vertical (2009, 2012). És també guanyador de curses d’esquí destacades (diversos cops, la Pierra Menta i la Mezzalama, i la Mountain Attack el 2011, i cinc cops campió en modalitat individual i vertical) i d’esquí extrem.
En la categoria de curses de muntanya guanyà la Copa del Món de curses d’altitud (2007, 2008, 2009, 2012, 2013 i 2014), la Copa del Món Ultra Runnning (2012, 2013 i 2014), el doble campionat del món de curses d’altitud i de quilòmetre vertical (2014), el Campionat d’Europa de curses d’altitud, quilòmetre vertical i ultra (2008, 2011, 2013) i la cursa d’alta muntanya i la combinada als Skygames (2008). Ha estat també guanyador de les curses més importants del circuit internacional, en algunes de les quals també aconseguí el rècord: Hardrock 100 (3 cops), Zegama (9), Ultra Trail del Mont Blanc (3), Ultra Pirineus (3), Grand Raid Réunion (2), Dolomites Skyrace (4), etc.
Ha dut a terme, així mateix, projectes personals en què explora els propis límits: els anys 2009 i 2010, en l’anomenat Kilian’s Quest, baté successivament els rècords en diverses curses de llarga distància de muntanya: GR-20 de Còrsega (190 km i 21.000 m de desnivell acumulat), Tahoe Rim Race (EUA; 265 km de distància i 8.000 m de desnivell acumulat), Transpirinenca (700 km i 35.717 m de desnivell acumulat) i ascens i descens del Kilimanjaro. Apartat per una lesió de la pràctica esportiva al juliol del 2017, retornà a la competició al febrer del 2018, en què s'imposà en la cursa vertical de Puy Saint Vicent i en el campionat d'Europa de cursa vertical en esquí de muntanya.
Des de l’any 2012 porta a terme el projecte Summits of my Life, consistent a córrer en solitari, amb un equipament mínim i en el menor temps possible, alguns dels cims i de les serralades més destacats del món: al setembre del 2012 realitzà la travessa integral del Mont blanc, i al juliol i a l’agost del 2013 baté els rècords d’ascens i descens del Mont Blanc (4 hores i 57 minuts) i del Cerví (2 hores 52 minuts), i el 2014 el Denali, o mont McKinley (11 hores i 48 minuts) i l’Aconcagua (12 hores i 49 minuts). Després d’anul·lar dos intents el 2015 i el 2016, el maig del 2017 completà l’ascens i el descens de l’Everest sense oxigen dues vegades en una sola setmana: la primera (22 de maig), en 26 hores des de 5.100 m d'altitud; i la segona (27 de maig) en 17 hores des de 6.500 m, gesta que donà lloc al documental Path to Everest (2018). Després d'una lesió al peroné que el va apartar de la competició durant tres mesos el 2018, el 9 juliol del mateix any completà la Bob Graham Round, una ruta de prop de 106 km, 42 cims i 8.200 m de desnivell positiu, en 12 h 52 m, batent el rècord de la prova (13 h 53 m) establert el 1982.
L’any 2011 publicà el llibre Córrer o morir, i el 2013, La frontera invisible. Protagonitzà també el documental A fine line (2012), sobre el projecte Summits of my life