En sus años de juventud, Cillian sentiría una particular inclinación hacia la música, lo cual lo llevó a conformar una banda de música inspirada por Frank Zappa, llamada Sons of Mr.Greengenes junto con su hermano y unos amigos. Para alivio de sus padres, Cillian pronto dejaría su incipiente carrera musical para cursar estudios de derecho en una universidad local.
Cuando cursaba el cuarto año de carrera, le llamaron la atención las singulares producciones teatrales del Concordia Theater, y se apunta a un taller con Pat Tiernan.Muy pronto sería evidente que Cillian tenía un talento natural para la actuación, así como una arrolladora presencia escénica. Pronto sería escogido para interpretar el personaje salvajemente emocional de Pig en una producción del Concordia Theather titulada Disco Pigs. El debut de Murphy en escena despertó aplausos entusiastas por parte de la crítica especializada.

A pesar de que en un inicio, la actuación se trataba de un hobby para Cillian, pronto comenzaría a faltar a clases para irse de gira con la producción. Finalmente teminaría por abandonar la carrera de Derecho.

Su carrera actoral proseguiría con otros roles en piezas teatrales como la shakespierreana Mucho Ruido y Pocas Nueces. Finalmente, Cillian debutaría en el cine en 1998 en la película titulada The Tale of Sweety Barrett Continuaría apareciendo en roles secundarios en otras películas, y protagonizaría tres cortometrajes. En 1999, aparece en Sunburn, una película acerca de un grupo de jóvenes irlandeses que pasan sus vacaciones en Long Island.

El año 2001, Cillian aparece como protagonista en On the Edge, un filme acerca del jóvenes pacientes psiquíatricos y suicidas, en el cuál interpretó uno de sus roles más memorables como Jonathan Breech. A este filme le siguió How Harry Became a Tree (2001), y la adaptación cinematográfica de Disco Pigs. El filme estuvo a cargo de la directora Kirsten Sheridan, y Cillian representaría nuevamente su rol de Pig con brillantes resultados.

Murphy lograría el reconocimiento internacional gracias a la película “28 Days Later” (2002) dirigida por Danny Boyle. Este horrorífico filme de ciencia ficción, trata acerca de un virus desatado por monos, cuyo contagio desata una ira homicida en las personas infectadas convirtiéndolas prácticamente en zombies homicidas que exterminan a casi toda la población británica. En esta película, Murphy interpreta a Jim, un mensajero ciclista que despierta en un hospital sin saber que se ha propagado un virus. Junto a un grupo pequeño de sobrevientes, emprende la lucha por sobrevir en un Londres casi post-apocalíptico. “28 Days Later” sería un éxito sorpresa en ese año, y gracias al filme le ofrecen mayores y mejores roles.

En el año 2003, filma las películas Zonad, Intermission, The Girl With A Pearl Earring y Cold Mountain (todas en el año 2003). Cillian logró mantener un balance en su creciente popularidad mientras su carrera comenzaba a tomar precedentes. Al tiempo que aceptaba roles en películas, continuaría también con el teatro. En el año 2004 apareció en las producciones 'The Playboy of the Western World, The Seagull de Anton Chejov y The Shape of Things de Neil LaBute.

El año 2005, Murphy sería catapultado a un nivel de reconocimiento aún mayor al interpretar el rol del Dr. Jonathan Crane (alias El Espantapájaros) en el muy correcto filme de Christopher Nolan Batman Begins (El comienzo de Batman). Ese mismo año aparece en el thriller Red Eye dirigido por Wes Craven. En esta película Cillian da vida a Jackson Ripnner, un misterioso extraño que contacta a una empleada de hotel llamada Lisa Reisert, y la amenaza con asesinar a su padre a menos que coopere con él en un complot para asesinar a una figura política importante.

En el 2005, protagonizaría también la película del director Neil Jordan, llamada Desayuno en Plutón, basada en la novela de Patrick McCabe. Cillian interpretó a Patrick "Kitten" Braden, un travestí que se prostituye. Su magistral interpretación de Kitten, le valió su primera nominación a los Globos de Oro de ese año.

Cillian regresó a su natal Cork en el verano del 2005, para filmar la película “The Wind That Shakes the Barley,” un drama acerca de la Guerra Civil Irlandesa en 1919. En esta película, Murphy interpeta a uno de los dos hermanos protagonistas, que se une a las guerrillas para enfrentar a los escuadrones británicos Black and Tan en la lucha por la independencia de su país.

Cillian ha vuelto a trabajar con Danny Boyle en un filme de ciencia ficción titulado Sunshine, donde su personaje encabeza un equipo de astronautas con la misión evitar que el sol se apague. Acaba de terminar también una comedia romántica junto a Lucy Liu, titulada Watching the Detectives, todo esto en 2007. En 2008 Murphy estelarizo la romántica cinta de drama The Edge of Love, En el verano de este mismo año tuvo una participación como el Espantapajaros en la secuela de Batman The Dark Knight