После четырёх игровых сезонов на Украине, Фесенко был выбран под 38-м номером во втором раунде Драфта НБА 2007 года командой «Филадельфия Севенти Сиксерс», а затем был продан в «Юту Джаз». 15 августа 2007 года Фесенко подписал с «джазменами» трёхлетний контракт[1]. Играл в фарм-клубе «Юты Джаз» — «Юта Флэш».
Центровой дебютировал в НБА 30 ноября 2007 года в матче против «Лос-Анджелес Лейкерс». Он набрал 6 очков, сделал 7 подборов и 1 результативную передачу[2].
15 июня 2009 года Кирилл продлил контракт с «Ютой» ещё на один сезон[3]. 28 декабря 2011 года сообщалось, что Фесенко в статусе свободного агента достиг договорённости о подписании годичного контракта с клубом «Голден Стэйт Уорриорз»[4]. Однако несколько дней спустя руководство «Уорриорз» отказалось от подписания украинца[5].
2013/2014
3 января 2013 года Фесенко подписал контракт с клубом «Донецк»[6].
2014/2015
В сезоне 2014/15 года заключил контракт с саратовским клубом «Автодор» до конца сезона.
Фесенко пришёл в «Автодор» по ходу чемпионата и стал одним из главных открытий сезона в Единой Лиге ВТБ. Он был признан самым ценным игроком (MVP) турнира в январе, продемонстрировал второй показатель эффективности в лиге (20,00), третий — по блок-шотам (1.62), а также остановился в шаге от виртуального пьедестала по подборам, став четвёртым (8.85 в среднем за матч). Кроме того, украинский центровой стал четвёртым в лиге по количеству дабл-даблов — 9.
В Единой Лиге ВТБ Фесенко провел 26 игр, в которых его средняя статистика составила 15,1 очка, 8,8 подбора, 1,6 блок-шота за 26,1 минуты.
В Кубке Вызова ФИБА он сыграл 11 матчей, в среднем набирая 13,3 очка и делая 10,1 подбора и 1,5 блок-шота за 25,8 минуты. В евротурнире украинец стал лучшим по подборам и количеству дабл-даблов (7), а также показал второй результат по блок-шотам.
2015/2016
В сезоне 2015/16 центровой подписал контракт с краснодарской командой «Локомотив-Кубань»[7], перед этим отказавшись от просмотра в «Торонто Рэпторс»[8]. В первой половине сезона Евролиги Фесенко в среднем набирал 6,1 очка, 4,3 подбора и 1,1 передачу за 15 минут на паркете. 5 января 2016 года Кирилл Фесенко и «Локомотив-Кубань» расторгли контракт по обоюдному решению сторон[9]. 6 января итальянская «Канту» официально объявила о переходе Фесенко[10].
