Родился 23 января 1929 г. в селе Благодатном Амвросиевского района Донецкой области Украинской ССР (ныне - территория провозглашенной Донецкой народной республики) в семье шахтера.
В 1948 г. окончил Одесскую духовную семинарию, в 1952 г. - Московскую духовную академию (МДА) со степенью кандидата богословия.
В 1979 г. получил диплом доктора богословия honoris causa в Будапештской реформатской богословской академии (Венгрия), в 1980 г. - аналогичный диплом в Прешовском богословском университете (Чехословакия, ныне - Словакия).
В 1950 г., во время учебы на 2-м курсе МДА, был пострижен в монашество с наречением имени Филарет. В том же году рукоположен в иеродиакона, в 1952 г. - в иеромонаха.
С 1952 г. преподавал в Московской духовной семинарии, одновременно был благочинным Троице-Сергиевой лавры (г. Загорск, ныне – г. Сергиев Посад, Московская обл.).
В 1954-1956 гг. - доцент, старший помощник инспектора МДА.
В 1956 г. назначен инспектором Саратовской духовной семинарии, возведен в сан игумена.
С 1957 по 1960 г. – инспектор Киевской духовной семинарии. В 1958 г. возведен в сан архимандрита.
В 1960-1961 гг. - управляющий делами Украинского экзархата (церковной области) Русской православной церкви (РПЦ).
С мая 1961 г. по январь 1962 г. - настоятель подворья РПЦ в г. Александрии (Объединенная Арабская Республика, ныне - Египет).
В феврале 1962 г. возведен в сан епископа, в феврале – июне 1962 г. – епископ Лужский, викарий Ленинградской епархии и управляющий Рижской епархией.
С июня по октябрь 1962 г. временно управлял Среднеевропейским экзархатом РПЦ (церковная область, существовавшая в 1960-1990 гг. и объединявшая епархии и приходы на территории ФРГ, ГДР и Австрии).
В 1962-1964 гг. - епископ Венский и Австрийский.
С декабря 1964 г. по май 1966 г. - епископ Дмитровский, викарий Московской епархии и ректор Московской духовной академии и семинарии.
В 1966-1990 гг. - экзарх Украины, постоянный член Священного синода. С 1966 г. – архиепископ, с 1968 г. - митрополит Киевский и Галицкий. Неоднократно выступал с резкими обличениями сторонников создания автокефальной украинской церкви, украинского национализма.
После смерти 3 мая 1990 г. патриарха Московского и всея Руси Пимена (Извекова) митрополит Филарет был избран местоблюстителем патриаршего престола.
6 июня 1990 г. Архиерейский собор РПЦ выдвинул его в качестве одного из трех кандидатов на патриаршество. Двумя другими претендентами стали митрополит Ленинградский и Новгородский Алексий (Ридигер) и митрополит Ростовский и Новочеркасский, управляющий делами Московского патриархата Владимир (Сабодан).
7 июня 1990 г. на Поместном соборе РПЦ новым патриархом Московским и всея Руси был избран митрополит Алексий (в 1990-2009 гг. - патриарх Алексий II). За него было подано 139 голосов, за митрополита Владимира - 107. Филарет (Денисенко) получил 66 голосов.
27 октября 1990 г. Архиерейский собор РПЦ учредил самоуправляющуюся Украинскую православную церковь с правами широкой автономии в составе Московского патриархата. В октябре 1990 г. - мае 1992 гг. ее возглавлял митрополит Киевский и всея Украины Филарет (Денисенко).
3 июня 1991 г. епископ Переяславский Ионафан (Елецких), узнав о нарушении Филаретом монашеских обетов (наличии у него гражданской сожительницы и детей), подал соответствующий рапорт в Московскую патриархию. В сентябре 1991 г., под давлением митрополита Филарета, Синод УПЦ лишил епископа Ионафана сана (в 1992 г., после смещения Филарета, это решение было отменено).
В 1991 г. ряд СМИ опубликовал информацию о связях Денисенко с Комитетом государственной безопасности (КГБ) СССР. В 2010-х гг. в интервью он подтвердил факт своего сотрудничества с КГБ, при этом заявив, что "против совести никогда не шел".
После провозглашения независимости Украины в августе 1991 г. митрополит Филарет стал активно выступать с требованием предоставления украинской церкви автокефалии (т. е. полной независимости). Поддержку ему оказывал председатель Верховного совета Украинской ССР (с декабря 1991 г. – президент Украины) Леонид Кравчук.
В начале ноября 1991 г. собор УПЦ в Киеве направил обращение к Московской патриархии с просьбой о предоставлении украинской церкви автокефалии. Однако позднее большинство украинских епископов отозвали свои подписи под документом, объяснив свое голосование угрозами и давлением со стороны митрополита Филарета. Наиболее активные противники автокефалии, в частности епископ Черновицкий и Буковинский Онуфрий (Березовский; ныне – глава УПЦ), были смещены Филаретом со своих кафедр.
В апреле 1992 г. Архиерейский собор Русской православной церкви предложил Филарету покинуть пост предстоятеля УПЦ. Тот "перед крестом и Евангелием" дал обещание сложить свои полномочия и провести выборы нового главы украинской церкви. Однако 7 апреля 1992 г., вернувшись в Киев, Филарет объявил о своем отказе подчиняться Московскому патриархату, а затем заявил, что его клятвы были вынужденными и поэтому недействительны.
27 мая 1992 г. в Харькове собрался собор УПЦ, который сместил митрополита Филарета с поста главы церкви, лишил его Киевской кафедры и отчислил за штат с запретом священнослужения "впредь до решения Архиерейского собора Матери-Церкви". 11 июня 1992 г. Архиерейский собор РПЦ постановил "извергнуть митрополита Филарета (Денисенко) из сущего сана, лишив его всех степеней священства и всех прав, связанных с пребыванием в клире <...> за жестокое и высокомерное отношение к подведомственному духовенству, диктат и шантаж, внесение своим поведением и личной жизнью соблазна в среду верующих, клятвопреступление, учинение раскола в Церкви" и др. Сам Филарет этого решения не признал. Поддержку ему оказали украинские власти, киевская милиция совместно с членами украинской националистической организации УНА-УНСО (запрещена в РФ) не допустила в митрополичью резиденцию делегацию УПЦ, которая пришла принять дела у низложенного митрополита. При поддержке украинских националистов Денисенко сохранил контроль над кафедральным Владимирским собором в Киеве. Президент Леонид Кравчук и президиум Верховной рады Украины объявили решения харьковского собора УПЦ незаконными.
В июне 1992 г. для легитимации собственного статуса Михаил Денисенко провел т. н. Всеукраинский православный собор, на котором было объявлено об объединении его сторонников с неканонической Украинской автокефальной православной церкви (УАПЦ) в "Украинскую православную церковь Киевского патриархата" (УПЦ КП). Денисенко стал заместителем главы новой организации, которым был объявлен находящийся в США племянник Симона Петлюры "патриарх" УАПЦ Мстислав Скрипник. Однако настоящего объединения де-факто не произошло: в конце 1992 г. "патриарх" Мстислав изменил свое отношение к УПЦ КП и отказался признать объединение юрисдикций. Однако эти акты пребывавшего в США "патриарха Киевского" не были обнародованы на Украине. В июне 1993 г., после смерти Скрипника, большинство представителей УАПЦ покинули "Киевский патриархат".
В 1992 г. в ходе поездки в Стамбул (Турция) Михаил Денисенко безрезультатно пытался договориться о признании церкви Константинопольским патриархатом. Однако в июле 1993 г. Константинопольский патриарх Варфоломей I (Архондонис) официально заявил, что признает только канонического митрополита Киевского – главу УПЦ Владимира (Сабодана).
С октября 1992 г. по октябрь 1995 г. Михаил Денисенко являлся "заместителем патриарха Киевского и всея Руси-Украины" Владимира Романюка. В 1995 г. Романюк пытался инициировать комплексную проверку финансово-хозяйственной деятельности Денисенко. С этой целью "Киевский патриарх" обратился за содействием в Управление внутренних дел Киева. В апреле 1995 г. Романюк попросил правоохранительные органы выделить ему охрану, заявив, что получает угрозы от Денисенко и его окружения. 14 июля 1995 г. Владимир Романюк скоропостижно скончался.
18 июля 1995 г. по инициативе Михаила Денисенко сторонники "Киевского патриархата" при поддержке членов военизированной организации украинских националистов УНА-УНСО попытались, игнорируя запрет властей, захоронить тело "Киевского патриарха" в Софийском соборе. В результате столкновений с милицией на Софийской площади Киева пострадали несколько десятков человек.
С 20 октября 1995 г. по 15 декабря 2018 г. Михаил Денисенко являлся "патриархом Киевским и всея Руси-Украины". На протяжении 1990-2010-х гг. представители "Киевского патриархата" неоднократно силой захватывали храмы Украинской православной церкви. В 2014-2016 гг. ими было занято 40 церквей. В 2017-2018 гг. около 30 храмов УПЦ подверглись нападениям. Один из последних случаев произошел 28 сентября 2018 г., когда украинские националисты из организации "Правый сектор" (запрещена в РФ), захватили Свято-Троицкий храм в поселке Богородчаны Ивано-Франковской области Украины.
21 февраля 1997 г. на Архиерейском соборе Русской православной церкви Михаил Денисенко (бывший митрополит Филарет) был отлучен от церкви и предан анафеме, поскольку "не внял обращенному к нему от лица Матери-Церкви призыву к покаянию и продолжал... раскольническую деятельность".
В июне 2014 г. Денисенко, комментируя действия вооруженных сил Украины на Донбассе, заявил, что нужно закрыть границу и "ликвидировать всех террористов". В ноябре 2016 г. он сказал, что население Донбасса "должно искупить страданиями и кровью" свой грех перед Украиной.
16 ноября 2017 г. Денисенко обратился с письмом к патриарху Московскому и всея Руси Кириллу (Гундяеву) и епископату РПЦ. В нем предлагалось "положить конец существующему противостоянию" и отменить "яко не бывшие" все "прещения и отлучения". 1 декабря 2017 г. на пресс-конференции в Киеве Михаил Денисенко сообщил, что целью его переговоров с РПЦ является автокефалия украинской церкви. При этом, по его словам, он продолжает вести переговоры об автокефалии с Константинопольским патриархатом. Кроме того, Денисенко заявил о необходимости принятия поправок в уже действующий закон Украины "О свободе совести и религиозных организациях", целью которых является ограничение в правах УПЦ.
2 августа 2018 г. глава самопровозглашенного "Киевского патриархата" в интервью телеканалу "Прямой" заявил, что после признания автокефальной украинской православной церкви ей будут переданы Киево-Печерская и Почаевская лавры (ныне в них находятся монастыри УПЦ).
11 октября 2018 г. Константинопольский патриархат объявил о решении снять анафему с Михаила Денисенко. Украинская православная церковь, а также РПЦ расценили такое решение как нарушение канонов, так как анафему может снять только та церковь, которая ее наложила.
15 декабря в Киеве состоялся "собор" "Киевского патриархата" и "Украинской автокефальной православной церкви", при участии президента Украины Петра Порошенко и представителей Константинопольского патриархата. По итогам мероприятия было объявлено о создании новой церковной структуры - "Православной церкви Украины" (ПЦУ). Она получила статус автокефальной "церкви" в составе Константинопольского патриархата. Филарет Денисенко был включен в состав "синода" ПЦУ, был объявлен "пожизненным почетным патриархом" этой организации.
Герой Украины (2019; "за выдающуюся историческую роль в становлении независимой Православной церкви Украины, деятельность, направленную на возрождение духовности украинского народа, подъема авторитета православия, утверждение идеалов милосердия и межконфессионального согласия"). Награжден орденами Дружбы народов (1979, СССР), Трудового Красного Знамени (1988, СССР), Свободы (2009, Украина), а также Крестом Ивана Мазепы (2010, Украина) - "за выдающийся личный вклад в духовное обогащение украинского народа, многолетнюю плодотворную церковную деятельность". Является полным кавалером украинского ордена князя Ярослава Мудрого: I степень (2008), II (2006), III (2004), IV (2002). Отмечен Почетной грамотой кабинета министров Украины (2010).
Почётный гражданин Киева (2008).
По данным СМИ, Денисенко состоял в гражданском браке с Евгенией Петровной Родионовой (скончалась в 1998 г.), в котором родились трое детей - Вера, Любовь и Андрей.