Михаил Александрович Фонвизин родился в деревне Марьино, ныне Раменский район Московской области.
Отец — Александр Иванович Фонвизин (1749—1819), подполковник.
Мать — Екатерина Михайловна (1750—1823).
Брат — Иван Александрович.
Получил домашнее образование, затем учился в училище св. Петра (St.Petri-Schule) в Санкт-Петербурге и в пансионе при Московском университете, слушал лекции в Московском университете.
Поступил на службу в звании подпрапорщик 26 мая 1801 года в Преображенский лейб-гвардии полк. 5 декабря 1803 года переведён в Измайловский лейб-гвардии полк. С 10 января 1804 года портупей-прапорщик, прапорщик с 1 декабря 1804 года.
Участвовал в военной кампании 1805 года и в битве при Аустерлице, где получил свой первый орден Святой Анны IV степени. 14 ноября 1806 года получил звание подпоручик, а 7 ноября 1808 года — поручик.
Участвовал в военных действиях в Финляндии во время войны с Швецией (Аландские острова). Был назначен адъютантом к генерал-майору А. П. Ермолову.
Во время Отечественной войны 1812 года участвовал в битвах под Витебском, под Смоленском был ранен, награждён орденом Святого Владимира IV степени с бантом. За битву под Бородино награждён орденом Святой Анны II степени. За битву при Малом Ярославце награждён золотой шпагой за храбрость. Участвовал в битвах при Красном, Березине. 20 января 1813 года получает звание штабс-капитан.
В заграничных походах 1813 года участвовал в битвах: Лютцен, за битву при Бауцене награждён алмазными знаками ордена Святой Анны II степени, Кульм, Лейпциг, Бар-сюр-Об. Под Бар-сюр-Об ранен, взят в плен и отправлен в Бретань, где участвовал в заговоре пленных. Находился в Бретани до окончания военных действий. Награждён прусским орденом За заслуги, Кульмским крестом.
17 июля 1813 года получил звание капитан, 5 декабря 1813 года — полковник. Командовал 4-м егерским полком в 1814 году. С 1 июня 1815 года — командир 37-го егерского полка. Во время высадки Наполеона Фонвизин вместе с полком возвращался в Россию. После высадки Наполеона вернулся во Францию и участвовал в военных действиях периода так называемых Ста дней (блокада Меца и Тионвиля). Оставался с полком в составе оккупационного корпуса графа М. С. Воронцова до 1816 года.
С 22 июля 1817 года командует Перновским гренадерным полком. В октябре 1817 года командирован в оккупационный корпус во Францию.
С 24 января 1818 года назначен командиром 38-го егерского полка. Запретил в полку телесные наказания и завел училище для подпрапорщиков. Получил благодарность от Александра I. В сентябре 1819 года полк перевели во вторую армию.
19 февраля 1820 года Фонвизин в звании генерал-майор назначен командиром 3 бригады 12 пехотной дивизии. С 23 мая 1820 года командует 3 бригадой 22 пехотной дивизии. 25 декабря 1822 года уволен в отставку.
После выхода в отставку жил в своем подмосковном имении Крюково. Владел крепостными в Московской, Тверской, Рязанской и Костромской губерниях.
Масон. С 1817 года состоял в московской ложе «Александра Тройственного спасения».
Осенью 1816 года по совету И. Д. Якушкина вступил в первую декабристскую организацию «Союз спасения». С 1818 года был одним из руководителей Московской управы Союза благоденствия. Был одним из инициаторов и руководителей Московского съезда 1821 года. Участвовал в подготовке к восстанию в Москве в декабре 1825 года. Готовил программу и устав Северного тайного общества.
Высказывался за освобождение крестьян с минимальным земельным наделом. Выдвигал идеи общинного социализма. После 1822 года отошёл от активной деятельности в тайных организациях.
Арестован в своём имении Крюково 9 января 1826 года по приказу от 3 января 1826 года. Доставлен в Главный штаб в Санкт-Петербург 11 января 1826 года. 12 января переведен в Петропавловскую крепость.
Осужден по IV разряду, приговорен в каторжную работу сроком на 12 лет. 22 августа 1826 года срок был сокращен до 8 лет. Отправлен из Петропавловской крепости в Сибирь 21 января 1827 года.
Фонвизин был доставлен в Читинский острог 7 марта 1827 года. В 1828 году в Читу прибыла его жена — Н. Д. Фонвизина. Из Читы переведён в Петровский завод, куда прибыл в сентябре 1830 года. В Петровском заводе занимался историей, философией делал значительные взносы в Большую артель.
По указу от 8 ноября 1832 года отправлен на поселение в Енисейск. Прибыл в Енисейск 20 марта 1834 года. Разрешено переехать в Красноярск 3 марта 1835 года. Выехал из Енисейска не ранее декабря 1835 года. Разрешено переехать в Тобольск 30 октября 1837 года, прибыл в Тобольск 6 августа 1838 года. В 1839 году просил перевести его рядовым на Кавказ.
Во время эпидемии холеры в Тобольске в 1848 году вместе с другими декабристами ухаживал за больными, снабжал их медикаментами, пищей. Оказывал помощь И. Д. Якушкину в создании ланкастерских школ в Ялуторовске. В семье Фонвизиных воспитывались дети жителей Тобольска.
13 февраля 1853 года Фонвизину было разрешено вернуться на родину, и жить в имении брата Марьино Бронницкого уезда Московской губернии с учреждением строжайшего полицейского надзора и воспрещением въезда в Москву и Санкт-Петербург.
Выехал из Тобольска 15 апреля 1853 года. Прибыл в Москву 11 мая 1853 года, отправлен с жандармом в Марьино 12 мая 1853 года. Умер 30 апреля 1854 года в Марьине, похоронен в Бронницы у городского собора.
Фонвизина, Наталья Дмитриевна (урождённая Апухтина). Последовала за мужем в Сибирь. В Петровском Заводе родила 2 детей. Воспитывала приемных детей: Марию Францеву, Николая Знаменского и других. После смерти мужа и всех родных детей в 1857 году вступила во второй брак с декабристом И. И. Пущиным.