Учась в четырехклассном городском училище, Кузьма познакомился с двумя местными иконописцами, под впечатлением от работ которых он пробует самостоятельно писать иконы и пейзажи масляными красками. Окончив в 1893 году училище, Кузьма отправился в Самару, где оказался в классах живописи и рисования Ф.Е. Бурова. Здесь он получил азы живописного искусства. Но уже через два года Буров скончался, и Кузьма вернулся на Родину.

Вскоре рисунки юного таланта случайно попали в руки знаменитого петербургского архитектора Р.Ф. Мельцера, который приехал в Хвалынск по делам. Он был весьма поражен такой живописью и увез Кузьму Сергеевича в Петербург, где помог получить хорошее художественное образование в Центральном училище технического рисования Штиглица. 

В 1897 году Петров-Водкин переехал в Москву, где поступил в Московское училище живописи, ваяния и зодчества (МУЖВЗ), где учился у Валентина Александровича Серова. В 1900 году работал на керамическом заводе в селе Всехсвятском под Москвой. После окончания училища в 1905 году продолжил совершенствовать свое мастерство в частных академиях Парижа, а также посетил Италию и Северную Африку. В 1911 году Петров-Водкин стал членом объединения «Мир искусства».

В годы советской власти Петров-Водкин много работал как график и театральный художник. В Ленинградском театре драмы им. Пушкина он оформил спектакли «Орлеанская дева» Шиллера, «Дневник Сатаны» по Андрееву, «Женитьба Фигаро» Бомарше. Занимался и литературным трудом, сочиняя рассказы, повести, пьесы и очерки. Писал теоретические статьи, занимался преподаванием, будучи одним из реорганизаторов системы художественного образования СССР.

С 1918 по 1933 год он преподавал последовательно в Петроградских Государственных свободных художественных учебных мастерских (ПГСХУМ), ВХУТЕМАС, ВХУТЕИН, Институте пролетарского изобразительного искусства (ИНПИИ), ИЖСА. В августе 1932 года Петров-Водкин избирается первым председателем Ленинградского отделения Союза советских художников (ЛОССХ).

Ориентация на вечные ценности, присущая творчеству Кузьмы Петрова-Водкина, не могла быть принята советской идеологией сталинского времени. После смерти художника – он умер 15 февраля 1939 года в Ленинграде – его имя оказалось полузабытым. Только в середине 1960-х годов произошло новое открытие Петрова-Водкина, благодаря чему теперь ясен истинный масштаб его дарования и ценность творческого наследия.