Создал первый советский самолётный поршневой двигатель с водяным охлаждением Микулин АМ-34 и Микулин АМ-3 — турбореактивный двигатель для первого советского реактивного авиалайнера Ту-104.
Ученик и племянник Н. Е. Жуковского.
Учился в МВТУ, который окончил в 1922 году.
С 1923 года работал в Научном автомоторном институте (с 1925 главный конструктор), с 1930 — в ЦИАМ, с 1936 — на авиамоторном заводе № 24 им. М. В. Фрунзе.
В 1935—1955 годах преподавал в МВТУ и ВВИА. В начале 1930-х годов под руководством Микулина создан первый советский авиационный двигатель жидкостного охлаждения М-34, на базе которого в дальнейшем построен ряд двигателей различной мощности и назначения.
Двигателями типа М-34 (АМ-34) оснащались рекордные самолёты АНТ-25, бомбардировщики ТБ-3 и многие другие самолёты. Двигатель АМ-35А устанавливался на истребителях МиГ-1, МиГ-3, бомбардировщиках ТБ-7 (Пе-8).
Во время Великой Отечественной войны Микулин руководил созданием форсированных двигателей АМ-38Ф и АМ-42 для штурмовиков Ил-2 и Ил-10. С 1943 по 1955 год Микулин — главный конструктор опытного авиамоторостроительного завода № 30 в Москве.
Под его руководством создан ряд ТРД различной тяги (в т. ч. двигатель АМ-3 для самолётов Ту-16 и Ту-104). В 1955—1959 работал в лаборатории двигателей АН СССР.
Двигатели:
Герой Социалистического Труда (1940)
Лауреат Сталинской премии (1941, 1942, 1943, 1946).
Награждён 3 орденами Ленина, орденами Суворова 1-й и 2-й степени, 3 орденами Трудового Красного Знамени, орденами Дружбы народов, Красной Звезды, «Знак Почёта», медалями.