1968년 2월 22일, 서울특별시 종로구에서 아버지 김교창의 아들로 태어났다. 광성고등학교를 졸업하고 서울대학교 공과대학 컴퓨터공학과(86학번)으로 입학했다. 학부 재학 중이던 1988년 일본항공의 장학생 프로그램에 선발되어 일본 조치대학 국제학부에서 몇달간 연수하기도 했는데, 이때 갖게 된 일본의 게임산업에 대한 관심이 이후 넥슨의 일본 시장 진출에 상당한 도움이 되었다.
서울대학교 컴퓨터공학과에 다니면서 컴퓨터를 공부하기 시작해 1993년에는 한국과학기술원 대학원에서 전산학 석사 학위를 취득했으며, 1994년 송재경, 박정협, 박원용과 함께 바람의 나라를 개발하기 시작했다. 이때 아버지 김교창(넥슨의 첫 벤처투자자)이 1989년에 세운 법인 가승의 명의로 투자를 받았고 해당 법인은 현재 NXC로 전환되었다. 이 때 송재경과 함께 주도적인 역할을 맡았고, 박정협은 코딩 담당, 박원용은 그림 담당이었다고 한다.
카이스트 대학원 전산학 박사 과정 중이던 1996년, 대학교 동기 송재경과 함께 넥슨을 공동 창업했고 KAIST 기숙사 옆방에 살았던 넥슨 이사였던 김상범도 공동창업자라고 공식적인 자리에서 자주 알려졌다.
여담으로 대학시절 김정주의 룸메이트는 네이버 창업자 이해진이었으며 카이스트 이광형 총장의 애제자이다.
넥슨 설립 이후에는 어둠의 전설, 메이플스토리, 크레이지아케이드, 카트라이더, 마비노기 등을 성공시키며 넥슨을 아버지 김교창의 투자 외에 외부 투자 한 번 없이 2011년 도쿄 증시 1부에 상장시켰다. 참고로 도쿄 증시 상장을 준비하며 일본으로의 본사 이전을 단행한 후 넥슨의 사명은 넥슨 홀딩스를 거쳐 NXC가 되었다.
2022년 3월 1일 사망 소식이 전해졌다. 2월 27일 미국 하와이에서 사망했다고 한다. 정확한 사인이 언급되지는 않았지만 넥슨 측은 "고인은 이전부터 우울증 치료를 받아왔으며, 최근 들어 악화된 것으로 보여 안타깝다."고 밝히며 자살로 인한 사망임을 암시했다.
소식을 접한 게이머들의 반응은 극과 극으로 갈렸다. 한국 게임업계의 1세대로서 국내 게임의 선구자이기도 하지만 동시에 진경준 게이트등의 뇌물청탁 및 횡령을 저지르고, 김택진등과 함께 소위 '맹독성 과금' 으로 불리는 한국 게임 특유의 유저 적대적 과금 구조의 선구자로 게임 산업을 황폐화시킨 장본인이기도 하기 때문. 대체로 넥슨 게임과 함께 보낸 유년기의 추억에 기인한 추모 분위기와 함께 공보다도 많은 과오에 따른 비판적인 반응이 공존하는 분위기이다.