Родился в семье преподавателя математики технического учебного заведения, позже профессора механики сначала Казанского, затем Московского университета. В 1910 –1911 годах вместе с отцом находился в Геттингене (Германия), где начал посещать среднюю школу. Среднее образование закончил в Казанском коммерческом училище, в 1918 году поступил в Казанский университет, а в 1921 году перевелся на физико-математический факультет Московского университета, который окончил в 1922 году. Был оставлен в аспирантуре: в 1923—1926 — аспирант Н. Н. Лузина. В 1927 году защитил диссертацию на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук и был командирован на полгода во Францию для научного совершенствования.
По возвращении в Москву в конце 1927 года избран приват-доцентом МГУ и членом Московского математического общества. Начал читать в МГУ курс по теории конформных отображений (преобразований пространства, сохраняющих величину углов).
В 1921—1929 годах преподавал в Московском высшем техническом училище.
С 1929 года стал заведовать кафедрой и получил звание профессора Московского химико-технологического института. Одновременно в 1929—1935 годах по приглашению С. А. Чаплыгина работает старшим инженером Центрального аэрогидродинамического института имени Н. Е. Жуковского (ЦАГИ). В круг интересов М. А. Лаврентьева и его группы входили такие разделы гидроаэродинамики, как теория колеблющегося крыла, движение крыла под поверхностью тяжёлой жидкости, удар твёрдого тела о воду, построение потока, обтекающего дугу заданной формы и ряд других.
С 1931 года — профессор МГУ. Без защиты диссертации (по совокупности научных работ) в 1934 году ему была присуждена учёная степень доктора технических наук, а в 1935 году — доктора физико-математических наук.
С 1935 года — старший научный сотрудник Математического института имени В. А. Стеклова; возглавил отдел теории функций.
С 1939 года — директор Института математики Академии наук УССР в Киеве (до 1949 года), а также профессор физико-математического факультета Киевского государственного университета (до 1941 года, затем — в период 1945—1948 годы).
С 1948 года М. А. Лаврентьев снова работает в МГУ. В этот период он участвует в создании на базе МГУ Московского физико-технического института (МФТИ). В этом институте Лаврентьев основал специализацию по теории взрывов, заведовал кафедрой физики быстропротекающих процессов (1955-1958). В 1950 году он был избран директором Института точной механики и вычислительной техники (создан в 1948 году; здесь в кратчайшие сроки были созданы первые образцы отечественных электронных счётных машин).
В 1953-1955 годах заместитель научного руководителя КБ-11 (Ядерный центр в Арзамасе-16); в 1955 году подписал «Письмо трёхсот».
18 мая 1957 года было принято решение о создании Сибирского отделения АН СССР, и его председателем стал М. А. Лаврентьев. Он возглавлял его до 1975 года. С 1960 года читал лекции в Новосибирском государственном университете.
Умер 15 октября 1980 года в Москве. Похоронен на Южном (Чербузинском) кладбище в Новосибирске.
Сын М. А. Лаврентьева — Лаврентьев, Михаил Михайлович — академик РАН.
В честь М. А. Лаврентьева названы:
На здании института гидродинамики в честь М.А. Лаврентьева установлена мемориальная доска. Международным центром по малым планетам присвоено название Лаврентина планете № 7322 (в честь академиков Михаила Алексеевича и Михаила Михайловича Лаврентьевых).
Академик Михаил Алексеевич Лаврентьев — один из крупнейших специалистов в области теории функций комплексного переменного, вариационного анализа и математической физики. Он был не только ученым с мировым именем, но и выдающимся организатором науки, педагогом и воспитателем молодежи.
Им были получены блестящие результаты в математике и механике, многое сделано для развития советского самолетостроения. Он основал школу по народнохозяйственному использованию взрыва, стоял у истоков разработки первых советских ЭВМ, участвовал в организации Московского физико-технического института — вуза нового типа. Но главное дело жизни М. А. Лаврентьева — создание нового научного центра на востоке страны. Эта идея, выдвинутая им вместе с академиками С. Л. Соболевым и С. А. Христиановичем, получила широкую поддержку ученых и правительства страны.
Выдающийся ученый современности — один из главных организаторов и председатель Сибирского отделения Российской академии наук (СО РАН) с 1957 по 1975 год (в то время Академии наук СССР), Герой Социалистического Труда — 1967 — за выдающиеся заслуги в развитии науки и организации Сибирского отделения АН СССР, лауреат Ленинской премии — 1958 — за работы по созданию артиллерийского атомного заряда, лауреат Государственных премий СССР, Дважды лауреат Сталинской премии (1946 — за разработку вариационно-геометрического метода решения нелинейных задач в теории дифференциальных уравнений с частными производными, имеющего важное значение для гидромеханики и аэромеханики, 1949 — за создание теории кумулятивных струй). Член ряда зарубежных академий, почетный гражданин города Новосибирска.