Родился в еврейской семье. Работал токарем, учился в Ленинградском институте инженеров Гражданского воздушного флота, потом окончил Ленинградский политехнический институт (1937) и Школу пилотов ленинградского аэроклуба. С 1935 года летал на планерах и прыгал с парашютом в Ленинградском аэроклубе. С 1937 года работал инженером в ЦАГИ, без отрыва от работы окончил летную школу и в сентябре 1937 года стал летчиком-испытателем ЦАГИ.
После начала Великой Отечественной войны в июле 1941 г. стал лётчиком-истребителем 2-й отдельной истребительной авиаэскадрилии ПВО Москвы, до сентября 1941 г. участвовал в защите Москвы от налётов немецкой авиации. В январе-марте 1942 г. был заместителем командира эскадрилии 128-го бомбардировочного авиаполка (Калининский фронт). С мая 1943 г. был лётчиком 890-го полка авиации дальнего действия. В июне 1943 года был сбит над оккупированной территорией и выпрыгнул с парашютом. Галлаю удалось найти партизан Рогнединской партизанской бригады (Брянская область) и через 12 дней он на самолете был вывезен за линию фронта, после чего вернулся на летно-испытательную работу.
В 1950 году был уволен из ЛИИ им. Громова (увольнение Галлай связывал с начавшейся антисемитской кампанией). В 1950-1953 годах - летчик-испытатель НИИ-17, в 1953-1958 годах - летчик-испытатель ОКБ В. Мясищева. За время летно-испытательной работы освоил около 125 типов самолетов, вертолетов и планеров. Звание Героя Советского Союза ему было присвоено в 1957 году за мужество и героизм, проявленные при испытаниях новой авиационной техники.
В 1958 г. М.Галлай был уволен в запас из Вооруженных сил СССР в звании полковника. В 1958-1975 годах он работал в ЛИИ старшим научным сотрудником. В 1960-1961 годах - инженер-методист первого отряда космонавтов, работал с первой группой - «гагаринской шестеркой» (По одной из версий, знаменитое гагаринское «Поехали!» было перенято им у Галлая). С 1959 года Галлай был заместителем председателя методического совета Министерства авиационной промышленности СССР по летным испытаниям. Опубликовал около 30 научных работ, преподавал в Московском авиационном институте, Академии гражданской авиации.
Награждён одиннадцатью орденами, трижды награждён орденом Ленина, четырежды награждён орденом Красного знамени, награждён дважды орденом Отечественной войны I степени , орденом Красной Звезды, орденом «Знак Почёта», 15 медалями. Заслуженный лётчик-испытатель СССР. Доктор технических наук (1972), профессор, академик Академии транспорта Российской Федерации.
Первую книгу «Через невидимые барьеры» опубликовал в 1960 г. В 1965 г. Галлай стал членом Союза писателей СССР. С 1975 г. полностью сконцентрировался на литературном труде.
14 июля 1998 года Марк Лазаревич Галлай скончался.
По мотивам произведений Галлая был снят художественный фильм «Три процента риска».