پدر خسرو سینایی پزشک بود. نوزاد بود که خانواده‌اش به تهران رفتند.

دبیرستان را در کالج آمریکایی البرز به پایان رساند و ۱۹ ساله بود که به پایتخت اتریش رفت.

۲۳ ساله بود که همزمان رشته های معماری و آهنگسازی را در وین به پایان رساند و چهار سال بعد در رشته کارگردانی و فیلمنامه‌نویسی با نمره ممتاز دکترا گرفت و فیلم او، "ماهیگیری" جایزه آکادمی موسیقی و هنرهای نمایشی وین را به دست آورد.

۲۸ ساله بود که با ساخت فیلم "آوایی که عتیقه می‌شود" همکاری‌اش را با وزارت فرهنگ و هنر آغاز کرد.

سال بعد پویانمای "شرح حال" را ساخت که تازه چهل سال بعد یعنی ۱۳۹۰ اکران شد.

۳۱ ساله بود که همکاری سه ساله‌ای را با صدا و سیما آغاز کرد و در آستانه انقلاب ۵۷ فیلم سینمایی "زنده باد" را با درونمایه داستان‌های بحران انقلاب ایران ساخت که از جشنواره "کارلوی" جمهوری چک جایزه "گلدان بلورین" را گرفت: «در هنر نوعی رهایی و دیوانگی لازم است، آدم وقتی خیلی آگاه است، خیلی دانشمند است، اثرش چیزی که باید بشود نمی‌شود. تمام کوششم این است که خودم را از بند دانستن رها کنم یا فاصله خودم و آگاهیم را با اثرم نابود کنم. گاهی دوربین به دست می‌گیرم و هر کاری میخواهم میکنم. عقل گاهی زنجیر به پاست، مانع می‌شود به عمق حس‌ها نزدیک بشوی و اینجاست که موسیقی و شعر بیشتر من را برای رهایی از عقل کمک می‌کند.»

به کانال دویچه وله فارسی در تلگرام بپیوندید

او افزون بر فیلم‌های سینمایی و مستند تعداد زیادی فیلم کوتاه ساخته و همچنین چند فیلمنامه و چهار ترجمه به چاپ رسانده است: «سینما برای من عشق به اِلیزابت تِیلور و مِرلین مونرو نبود، بلکه آنچه از دوازده سیزده سالگی به بعد طی کردم بود، یعنی شعر، موسیقی، معماری و نقاشی. حالا در این هنر ترکیبی می‌خواستم حس شعری را که کمتر در کلام به آن می‌رسیدم در فیلم به آن برسم.»

بسیاری از آثار او را بر خلاف آنچه خود می‌پنداشت، سینمای مستند نامیده‌اند.

۶۸ ساله بود که برای فیلم "مرثیه گمشده" نشان ویژه "صلیب شوالیه" را از دست رئیس جمهور لهستان گرفت. در این فیلم او مهاجرت لهستانی‌ها را در جنگ جهانی دوم به تصویر کشیده است. ساخت این فیلم ۱۳ سال زمان و توان برد.

نامی‌ترین اثر او فیلم "عروس آتش" است که فیلمنامه آن را نیز نوشته است. در این فیلم او به سنت‌های خوب و بد عشیره‌ای جنوب ایران مانند ازدواج اجباری اشاره دارد.

خسرو سینایی در ۷۹ سالگی در تهران درگذشت.