Hollywood egyik nagy színészdinasztiájának sarja, ereiben orosz, zsidó, ír és skót vér csörgedezik. Apja az ötvenes-hatvanas évek egyik legnagyobb sztárja, Kirk Douglas, anyja a Bermudákról származó színésznő, Diana Dill. Szülei hatéves korában elváltak, ezután anyja nevelte a keleti parton, és hogy némi fegyelmet tanuljon, beíratta egy katonai akadémiára. A színészi pályával kacérkodó Michael a vakációkat apjával töltötte, de annak hírneve olyan elviselhetetlen teherként nehezedett rá, hogy egy ideig hippiként élt. Végül erőt vett magán, és úgy döntött: Hollywoodban csinál karriert. Szárnypróbálgatásként először az apja főszereplésével készült Lonely Are the Brave című film rendezőasszisztenseként dolgozott, majd beiratkozott a Kaliforniai Egyetem Santa Barbara-i drámatagozatára. A kollégiumban Danny DeVito volt a szobatársa, akivel komoly terveket szövögettek pályafutásukkal kapcsolatban. Douglas a filmvásznon a Hail, Hero! című alkotással debütált, de neve és arca a San Francisco utcáin című tévés krimisorozat zöldfülű felügyelőjeként lett ismert.

Pénzét kiváló érzékkel fektette be: megszerezte Ken Kesey Száll a kakukk fészkére című könyvének filmes jogait, és 1975-ben ő lett a producere a műből készült Milos Forman-filmnek. Douglas, aki a regényből készült színdarab főszerepét játszotta a Broadwayn, ezt szívesen megismételte volna a filmvásznon is, de a rendező túl idősnek tartotta McMurphy megformálására, és Jack Nicholsont választotta helyette. A film tarolt az Oscar-gálán, besöpörte a legjobb filmnek járó aranyszobrocskát is. A diadal után Douglas előtt színészként is nagyobb lehetőségek nyíltak, az évtized végéig a Kóma és a Kína-szindróma című filmjei arattak sikert. (Az utóbbi, egy lehetséges atomerőmű-balesettel foglalkozó darab bemutatója alig két héttel előzte meg a valódi, igen súlyos Three Mile Island-i balesetet.)

A nyolcvanas években a Smaragd románca és A Nílus gyöngye című kalandos, romantikus vígjátékban alakított akcióhőst Kathleen Turner és régi jó barátja, Danny DeVito oldalán, később partnernőjével forgatta A rózsák háborúja című fekete humorú vígjátékot egy házasság végnapjairól. 1987-ben megkapta a legjobb színésznek járó Oscar-díjat az Oliver Stone rendezte Tőzsdecápák gátlástalan és cinikus tőzsdeügynöke, Gordon Gekko megformálásáért. A következő évben saját produkciós céget alapított, ennek égisze alatt született többek között az Egyenesen át és Az esőcsináló című film. Douglas sötétebb karaktereket is eljátszott a filmvásznon: 1987-ben a Végzetes vonzerő című filmben egy yuppie-t alakított, akinek szörnyű árat kell fizetnie egy mentálisan kiegyensúlyozatlan nő (Glenn Close) társaságában eltöltött éjszakáért, 1989-ben egy ellenszenves zsarut személyesített meg a Fekete eső című, Japánban játszódó krimiben.

1992-ben forgatta az Elemi ösztönt Sharon Stone-nal, 1993-ban készült az Összeomlás, amelyben egy hétköznapi embert alakít, aki egy forgalmi dugóban bekattan, és ámokfutásba kezd. A Szerelem a Fehér Házban című filmben özvegy elnökként, Annette Bening oldalán hölgynézők millióinak szívét dobogtatta meg. 1996-ban került a moziba a Ragadozók című kalandfilmje, 1998-ban A tökéletes gyilkosságban megcsalt férjként állt csavaros bosszút. Életének egyik legsikeresebb éve 2000 volt: a kritika agyondicsérte a Pokoli hétvége és a Traffic című filmekben nyújtott alakítását, nem mellesleg az utóbbi film átlépte a 100 millió dolláros bevételi álomhatárt. 

Douglas első felesége Diandra Luker producer volt, aki egy idő után megcsömörlött férje italozásától, hűtlenkedéseitől és tizenöt év után, 1995-ben külön költözött tőle, majd 2000-ben el is váltak. Douglas 1998-ban ismerkedett meg a nála kereken huszonöt évvel fiatalabb walesi színésznővel, Catherine Zeta-Jonesszal, akivel 2000-ben házasságot kötöttek, két gyermekük született. A színésznél 2010-ben torok- és nyelvrákot diagnosztizáltak, de a kemoterápiás kezelésre jól reagált, felgyógyulása után rendbe hozta időközben megroppanni látszó házasságát is. Karrierje sem szenvedett törést, a híres amerikai zongoristáról, Liberace-ról szóló filmjéért 2013-ban Emmy-díjat, majd 2014-ben immár negyedik alkalommal Golden Globe-díjat vehetett át – tíz évvel korábban már megkapta a Golden Globe-életműdíjnak számító Cecil B. DeMille-díjat is.

Ma is szüntelenül dolgozik, 2015-ben elvállalta élete első szuperhős-szerepét: a Hangya című Marvel-képregény megfilmesítésében Dr. Hank Pym bőrébe bújt, aki a Hangya speciális páncéljának tervezője. 2018-ban újra visszatért Pymként A Hangya és Darázs című filmben, majd 2019-ben harmadszor is ugyanebben a szerepben állt a felvevőgép elé a minden bevételi rekordot megdöntő Bosszúállók: Végjáték című moziban. Az idén újabb Golden Globe-szoborral is gazdagította gyűjteményét a The Kominsky Method című Netflix vígjátéksorozatban nyújtott alakításáért, Alan Arkin oldalán.

Douglas 2018-ban kapott csillagot a hollywoodi Hírességek sétányán, amelyet apja, az akkor 101 éves Kirk Douglas társaságában leplezett le. Douglas vagyona meghaladja a 300 millió dollárt, és Laurence Olivier mellett az egyetlen az Oscar-díjak történetében, aki a legjobb filmnek és a legjobb férfi főszereplőnek járó szobrocskával egyaránt dicsekedhet.