После окончания средней школы в 1946 году Денисенко решил посвятить себя служению церкви, для чего поступил в Одесскую духовную семинарию. Обучение здесь он завершил уже через два года, перебравшись в Московскую духовную академию, которая на тот момент располагалась в помещениях Новодевичьего монастыря.
Во время учебы принял монашество с именем Филарет и получил назначение в Троице-Сергиеву лавру, где занял должность смотрителя патриарших покоев.
После этого начался стремительный карьерный взлет будущего лидера украинских раскольников. В январе 1950 года, еще будучи студентом духовной академии, он был рукоположен в иеродиакона лично патриархом Московским и всея Руси Алексием I (Симанским). В течение нескольких лет после рукоположения он последовательно становится иеромонахом, игуменом, а затем и архимандритом, т.е. достигает одного из самых высоких чинов в монашеской иерархии Русской церкви.
Параллельно с этим Филарет получил ученое звание доцента и возглавил Киевскую духовную семинарию, которой руководил вплоть до ее закрытия в 1960 году. Позднее бывшие семинаристы и преподаватели, лично знавшие Денисенко в те годы, вспоминали, что в тот момент Филарет не скрывал своих симпатий к советской власти, отмечая, что получение им духовных званий и ученых степеней стало возможно благодаря большевикам, которые создали условия, при которых шахтерский сын сумел достичь таких высот.
В 1960 году Филарета назначают управделами Украинского экзархата, а в мае 1961 года он отправляется на короткое время в Египет, где становится настоятелем подворья РПЦ при Александрийской православной церкви.
Меньше чем через год начинается новый этап в духовной карьере Филарета. В течение трех лет он получает назначение в Европе (викарий Среднеевропейского экзархата, епископ Венский и Австрийский), затем в Советском Союзе (викарий Ленинградской епархии, епископ Дмитровский, викарий Московской епархии и, наконец, ректор Московской духовной академии и семинарии).
В 1966 году Филарет возвращается на малую родину в качестве архиепископа Киевского и Галицкого, экзарха Украины. Тогда же его вводят в постоянный состав Священного синода РПЦ. Примечательно, что там Филарету поручили курировать вопросы христианского единства и межцерковных связей.
В 1968 году Филарета возводят в сан митрополита.
В 1976 году ему доверили возглавлять делегацию Московского патриархата на первом Предсоборном всеправославном совещании в Женеве.
Вершина церковной карьеры Филарета в рамках Русской православной церкви пришлась на 1990 год, когда после кончины патриарха Пимена (Извекова) он был назначен Синодом местоблюстителем патриаршего престола.
Известно, что в тот год Филарет выступил с осуждением раскольнических тенденций в западноукраинских епархиях РПЦ, где были популярны набиравшие силу на излете перестройки националистические и антирусские настроения.
6 июня 1990 года на Архиерейском соборе в Свято-Даниловом монастыре в Москве Филарет занял третье место в ходе тайного голосования на выборах предстоятеля Русской православной церкви. С 66 голосами делегатов он уступил будущему главе Украинской православной церкви Московского патриархата Владимиру (Сабодану), набравшему 107 голосов, и ставшему в итоге главой РПЦ митрополиту Ленинградскому и Новгородскому Алексию (Ридигеру), который заручился поддержкой 139 иерархов.
Еще до обретения Украиной независимости Денисенко возглавил внутрицерковное движение за предоставление большей самостоятельности Украинскому экзархату в рамках РПЦ. Решением высших церковных властей данный экзархат вскоре был преобразован в Украинскую православную церковь Московского патриархата, предстоятелем которой с титулом Блаженнейшего митрополита Киевского и всея Украины стал Филарет.
После провозглашения в Киеве суверенитета страны Денисенко начинает требовать от Русской православной церкви признать украинскую автокефалию, которую ранее самовольно объявил Архиерейский собор УПЦ. В свою очередь, на Соборе в Москве в апреле 1992 года были зачитаны свидетельства украинских иерархов, которые заявили о давлении и угрозах, которыми Филарет добивался от них поддержки своих раскольнических планов.
Также Филарета обвинили в аморальном поведении и образе жизни. Так, выяснилось, что вопреки монашескому уставу и данным обетам Денисенко завел тайную семью, в которой у него родилось трое детей.
В конце мая 1992 года в Харькове собрался Архиерейский собор УПЦ, который принял решение прекратить полномочия Филарета как главы Украинской церкви и запретить его служение до окончательного решения Москвы, подтвердившей данный вердикт и попутно извергнувшей его из сана митрополита. Главными обвинениями в адрес Филарета стали клятвопреступление и попытки расколоть единую православную церковь.
Денисенко не признал данных решений и объявил о создании новой религиозной юрисдикции — так называемой Украинской православной церкви Киевского патриархата (УПЦ КП). Возглавил ее с титулом патриарха Киевского и всея Украины Мстислав (Скрипник), ставший символической фигурой из-за своего родства с известным националистом первой четверти XX века Симоном Петлюрой.
После смерти Мстислава в 1993 году Филарет становится заместителем его преемника — Владимира (Романюка). Отмечалось, что новый глава раскольников не раз упрекал своего зама в попытках занять его должность, звучали обвинения в связях Филарета с криминалом и попытках присвоить финансовые средства Киевского патриархата.
В октябре 1995 года, после загадочной смерти митрополита Владимира, Денисенко становится главой УПЦ КП.
В 1997 году РПЦ предала анафеме самозваного киевского патриарха, назвав возглавляемую им структуру неканоничной и незаконной.
Во время государственного переворота в Киеве в 2014 году Денисенко выразил однозначную поддержку победившему Евромайдану. Неоднократно критиковал российские власти и РПЦ, одобрял ведение боевых действий против народных республик Донецка и Луганска, призывая «ликвидировать всех террористов».
В ноябре 2017 года Филарет предпринял попытку найти путь к примирению с РПЦ, к которой он обратился в специальном послании с просьбой снять с него отлучение от церкви. Однако уже через год Филарет начал активно поддерживать планы президента Украины Петра Порошенко по созданию в стране автокефальной православной церкви. С этой целью было подготовлено обращение ко Вселенскому патриарху Варфоломею с просьбой предоставить Украине томос.
11 октября Священный синод Константинопольской церкви снял анафему с Филарета, признав недействительным акт от 1686 года о передаче Киевской митрополии Московской патриархии. Данные решения фактически открыли дорогу к созданию на Украине независимой поместной церкви.
После объединительного собора «новой церкви», когда непризнанные Украинская православная церковь Киевского патриархата и Украинская автокефальная православная церковь объединились и выбрали своего общего предстоятеля «митрополита Епифания» (Сергея Думенко), носит титул «почетного патриарха».
