Родился 22 ноября 1909 г. (по старому стилю - 9 ноября 1909 г.) в Иркутске. Его отец, Леонтий Самойлович, был железнодорожным служащим. Мать, Мария Ефимовна, работала зубным врачом. В школе Михаил увлекался авиамоделизмом. Созданная им в возрасте 12 лет модель планера получила приз на конкурсе моделистов в Новосибирске.

В 1926 г. Михаил Миль поступил в Сибирский технологический институт (ныне - Национальный исследовательский Томский политехнический университет), однако после второго курса был отчислен как "классово чуждый", т. к. происходил из зажиточной семьи. Отработав год в химической лаборатории кожевенного завода, Миль получил отличную характеристику и направление на третий курс механического факультета Донского политехнического института (г. Новочеркасск, Северо-Кавказский край, ныне - Ростовская обл.). Окончил это учебное заведение в 1931 г., организовал в институте авиационный кружок.

В 1943 г. защитил в Центральном аэрогидродинамическом институте (ЦАГИ) диссертацию на соискание степени кандидата технических наук по теме "Критерии управляемости и маневренности самолета".
Доктор технических наук (тема диссертации - "Динамика ротора с шарнирным креплением лопастей и ее приложение к задачам устойчивости и управляемости автожира и геликоптера", ЦАГИ, 1945).

В 1929 г. Михаил Миль прошел производственную практику в авиасекции Центрального совета Осоавиахима. Под руководством главного конструктора Николая Камова (1902-1973) участвовал в постройке первого советского автожира (летательного аппарата с самовращающимся несущим винтом) КАСКР-1 "Красный инженер".
Окончив институт, Миль в 1931 г. приступил к инженерной работе в секции особых конструкций (СОК) экспериментального аэродинамического отдела Центрального аэрогидродинамического института (на тот момент располагался в Москве; ныне - ЦАГИ им. профессора Н. Е. Жуковского, г. Жуковский, Московская обл.). В 1933 г. СОК был преобразован в отдел особых конструкций, в котором Михаил Миль до 1937 г. возглавлял бригаду аэродинамики и экспериментальных расчетов. Занимался вопросами аэродинамики автожиров и геликоптеров (позднее на смену этому термину пришло предложенное Николаем Камовым и его коллегой Николаем Скржинским слово "вертолет"). Разработал общую теорию несущего винта. Участвовал в создании автожиров А-12, А-15 и др. К началу 1940-х гг. стал одним из ведущих советских специалистов по теории автожиров и геликоптеров.
В 1940-1943 гг. Миль занимал пост заместителя главного конструктора на заводе винтокрылых аппаратов №290 Народного комиссариата авиационной промышленности СССР. Завод действовал близ железнодорожной платформы Ухтомская (г. Люберцы Московской обл.), под руководством Николя Камова там был налажен серийный выпуск автожира А-7.
После начала Великой Отечественной войны Михаил Миль в августе - октябре 1941 г. находился на фронте с автожирной корректировочной эскадрильей (в ее состав входили пять автожиров А-7). В районе г. Гжатска (ныне – Гагарин Смоленской обл.) при вынужденном отходе из-под удара противника Михаил Миль сумел спасти и вывезти из окружения одну из этих машин. В 1941-1943 гг. работал на заводе №290 в эвакуации в пос. Билимбай (ныне - в составе г. Первоуральска, Свердловская обл.). При отъезде из Подмосковья не выполнил приказ об уничтожении архива отдела особых конструкций и сохранил отчеты, которые в дальнейшем использовались при проектировании новых летательных аппаратов. В 1942 г. совместно с С. Пасхиным в инициативном порядке разработал противотанковое ружье под реактивные снаряды РС-82 (в серию не пошло).
В 1943 г. стал научным сотрудником ЦАГИ, где продолжил прерванные с началом Великой Отечественной войны исследования по устойчивости и управляемости летательных аппаратов. Участвовал в разработке пружинного компенсатора для штурмовика Ил-2 и дальнего бомбардировщика Ил-4. Агрегат помогал "разгружать" усилие на ручке управления, облегчая вывод самолета из штопора (летчики прозвали эти устройства "милями").
После окончания войны вернулся к научно-экспериментальным исследованиям аэродинамики несущего винта. Сконструировал натурную установку, которая послужила прототипом для геликоптера ГМ-1.
В 1947 г. Михаил Миль возглавил созданную по его инициативе в ЦАГИ лабораторию №5 со специальным геликоптерным отделом. 12 декабря 1947 г. постановлением Совета министров СССР было образовано опытное конструкторского бюро (ОКБ) по вертолетостроению, Миль стал его главным конструктором.
В 1951 г. занял пост директора и главного конструктора, а с 1964 г. - генерального конструктора завода №329 Министерства авиационной промышленности СССР (с 1967 г. - Московский вертолетный завод, ныне - Московский вертолетный завод им. М. Л. Миля).
Вертолет Ми-1 конструкции Михаила Миля (прототип ГМ-1 совершил первый полет в 1948 г.) в 1951 г. стал первым советским серийным вертолетом, который получил широкое практическое применение. Всего под руководством конструктора было создан целый ряд серийных вертолетов. В их числе многоцелевой Ми-4 (1952), экспериментальный В-7 (1957), многоцелевой транспортный Ми-6 грузоподъемностью 12 т (1957 г., данная машина заложила приоритет отечественной авиации в тяжелом вертолетостроении), легкий Ми-2 (1962), транспортные вертолеты-краны Ми-10 (1960) и Ми-10К (1965), противолодочный Ми-14 (1967), боевой ударный Ми-24 (1969), опытный сверхтяжелый Ми-12 (1967). В отличие от Камова, использовавшего в своих машинах соосную схему несущих винтов, Михаил Миль отдавал предпочтение классической одновинтовой схеме - с основным несущим и рулевым винтами.
Вертолеты конструкции Миля стоят на вооружении около 30 стран мира, эксплуатируются более чем в 100 странах. На них установлено свыше 60 мировых авиационных рекордов.
В 1950-1960-х гг. Михаил Миль проживал и работал в Москве. Преподавал в Московском авиационном институте (профессор с 1966 г.).
Скончался 31 января 1970 г. в возрасте 60 лет после тяжелой продолжительной болезни. Похоронен на кладбище с. Юдино (Одинцовский район Московской обл.).

Михаил Миль "за выдающиеся заслуги в развитии советской авиации" был удостоен звания Героя Социалистического Труда (1966), являлся лауреатом Ленинской премии (1958), Государственной премии СССР (1968). Был награжден тремя орденами Ленина (1957, 1966, 1969), орденами Отечественной войны II степени (1945), Трудового Красного Знамени (1959), Красной Звезды (1944, за разработку разгрузочного компенсатора для боевых самолетов), медалями.

Был женат на Прасковье (Пане) Гурьевне Руденко. Дети - Татьяна, Вадим (умер в возрасте пяти лет в эвакуации), Надежда (директор музея Московского вертолетного завода) и Елена.

Михаил Миль сочинял стихи, увлекался акварельной живописью. Персональные выставки его картин проводились в ДК Московского вертолетного завода, после смерти конструктора его акварели в 1981 г. участвовали в выставке "Ученые рисуют".