Родился 31 мая 1862 г. (19 мая по старому стилю) в Уфе Оренбургской губернии Российской империи (ныне – столица Республики Башкортостан, РФ) в купеческой семье.
В 1877-1881 и 1884-1886 гг. учился в Московском училище живописи, ваяния и зодчества, где его преподавателями были художники-передвижники Илларион Прянишников, Василий Перов, Алексей Саврасов, Владимир Маковский. В 1881-1884 гг. проходил учебу в Императорской академии художеств в Санкт-Петербурге, в числе его учителей были Павел Чистяков, Василий Верещагин.
Первые картины Михаила Нестерова были написаны под влиянием жанровой живописи передвижников ("В снежки", 1879; "Экзамены в сельской школе", 1884). С 1880-х проявился интерес художника к истории допетровской Руси, который он сохранил в последующие годы. В 1885 г. Михаил Нестеров получил звание свободного художника за картину "Избрание Михаила Федоровича Романова на царство", в 1886 г. за полотно "До государя челобитчики" ему было присвоено звание классного художника.
В 1886-1889 гг. Михаил Нестеров работал над книжными иллюстрациями, в частности к роману Александра Пушкина "Капитанская дочка", поэме Михаила Лермонтова "Песня о купце Калашникове" и др.
С 1888 г. художник регулярно бывал в имении предпринимателя и мецената Саввы Мамонтова Абрамцево, где собирались и работали ведущие деятели русской культуры своего времени (художники Илья Репин, Василий Поленов, Константин Коровин, братья Васнецовы, Валентин Серов, певец Федор Шаляпин и др.).
В 1889 г. Михаил Нестеров завершил работу над картиной "Пустынник", которая в том же году была показана на XVII выставке Товарищества передвижников и приобретена меценатом Павлом Третьяковым. После этой работы о Нестерове заговорили как об одном из самых значительных современных живописцев, одном из создателей самобытного направления в русской живописи, где человеческие образы тонко сочетаются с особым, эмоционально насыщенным пейзажем.
В том же году художник совершил первую поездку в Европу, посетил Австрию, Италию, Францию, Германию, где познакомился с творчеством европейских художников-символистов, а также работал над пейзажами.
С 1889 г. Михаил Нестеров начал работу над циклом картин, приуроченных к 500-летию со дня кончины святого Сергия Радонежского в 1891 г. В 1890 г. он завершил одно из своих наиболее известных полотен – "Видение отроку Варфоломею", - написанное на сюжет из жития Сергия Радонежского. Эту картину Михаил Нестеров считал своей лучшей работой. Цикл продолжили полотна "Юность преподобного Сергия" (1892-1897), "Труды преподобного Сергия" (1896-1897), "Сергий Радонежский благословляет Дмитрия Донского на битву с татарами" (1897), "Преподобный Сергий Радонежский" (1899).
В 1896-1901 гг. Михаил Нестеров был членом Товарищества передвижных художественных выставок. В 1903 г. стал членом-учредителем нового художественного объединения - Союза русских художников.
В 1890-1900-е гг. живописец участвовал в росписи Владимирского собора в Киеве (1890-1895), создании мозаичного убранства храма Воскресения Христова (Спаса на Крови) в Санкт-Петербурге (1894-1897). Он также исполнил росписи церкви Святого Александра Невского в Абастумани в Грузии (1898–1904) и храма Покрова Пресвятой Богородицы Марфо-Мариинской обители в Москве (1910-1912). Эти работы стали одними из вершин русского национального стиля в церковной живописи рубежа XIX-XX веков.
Одновременно Нестеров продолжил работу над картинами на религиозную тематику, где значительную художественную роль играет образ русской природы, "Под благовест" (1895), "Великий постриг" (1897-1898), "Молчание" (1903), "Лисичка" (1914).
Наиболее масштабными работами художника в начале ХХ века стали полотна "Святая Русь" (1901-1905) и "На Руси ("Душа народа")" (1914-1916).
Нестеров считается создателем особого жанра в пейзажной живописи, названного его именем: лиричный, лишенный ярких красок "нестеровский пейзаж", сочетающий традиции реалистичной живописи и графичности, передает особую одухотворенность природы ("Осенний пейзаж", 1906; "Река Белая", 1909; "Родина Аксакова", 1914 и др.).
Значительное место в творчестве Михаила Нестерова занимала портретная живопись. В начале ХХ века он создал портреты своей супруги Екатерины (1905), княгини Натальи Яшвиль (1905), старшей дочери Ольги Нестеровой-Шретер ("Амазонка", 1906), писателя Льва Толстого (1907), философов Павла Флоренского и Сергея Булгакова ("Философы", 1917).
После прихода к власти большевиков в 1917 г., когда выставлять национально-религиозную живопись стало невозможно, портретный жанр стал основным в работе Михаила Нестерова. Среди полотен этого периода "Мыслитель" (портрет философа Ивана Ильина, 1921-1922), портреты художников Виктора Васнецова (1925) и братьев Павла и Александра Кориных (1930), скульпторов Ивана Шадра (1934) и Веры Мухиной (1940), физиолога Ивана Павлова (1935), архитектора Алексея Щусева (1941) и др. Одно из лучших произведений - "Девушка у пруда" (1923), где живописец изобразил дочь Наталью.
В 1938 г. Нестеров был арестован по делу своего зятя Виктора Шретера, осужденного по ложному обвинению в шпионаже. Художник провел две недели в Бутырской тюрьме, после чего его освободили. Зять художника был впоследствии расстрелян, а его старшая дочь Ольга сослана в Среднюю Азию, откуда вернулась в 1941 г.
Михаил Нестеров скончался 18 октября 1942 г. в Москве и был похоронен на Новодевичьем кладбище.
Был награжден орденом Трудового Красного Знамени (1942).
Являлся академиком (1898) и действительным членом (1910) Петербургской академии художеств. В 1942 г. ему было присвоено звание заслуженного деятеля искусств РСФСР (1942).
Лауреат Сталинской премии I степени 1941 г. за портрет академика Ивана Павлова.
Михаил Нестеров оставил воспоминания. В советский период они публиковались с цензурными изъятиями. Бесцензурная версия была издана в 2006 г. под названием "О пережитом. 1862-1917 гг. Воспоминания".
Художник был дважды женат. Его первой супругой была Мария Мартыновская (1862-1886), второй - Екатерина Васильева (1879-1955). Дочери - Ольга (1886-1973), Наталья (1903-2004), сын - Алексей (1907-1942). Вне брака родилась дочь Вера (1899-1998).