Сын горного чиновника Иллариона Михайловича Михайлова (ум. 1845) и киргизской княжны Ольги Васильевны Ураковой (ум. 1841). Родился на одном из казённых заводов на Урале. Учился в уфимской гимназии, но курса не кончил и в 1844 году поступил вольнослушателем в Петербургский университет. Первые произведения появились в «Иллюстрации» (1845 год).
Вследствие разрыва с отцом, не сочувствовавшим литературным занятиям сына, Михайлов в 1848 году принуждён был переехать в Нижний Новгород на службу, но продолжал литературную деятельность, помещая свои произведения в «Москвитянине» М. П. Погодина. Работал в соляном управлении Нижнегородской губернии. В 1852 году оставил службу, поселился в Санкт-Петербурге и работал, главным образом, в «Современнике» и «Отечественных записках».
В конце 1850-х, начале 1860-х годов Михайлов был одним из видных деятелей революционного подполья России. Весной 1861 года выезжал в Лондон для печати прокламации «К молодому поколению». В 1861 году по возвращении из-за границы Михайлов был арестован по делу о распространении революционных прокламаций в Петербурге. Осуждён и приговорен к каторжным работам на 12,5 лет. В 1862 году сослан на каторгу в Сибирь. Срок каторги был сокращен до 6 лет. Отбывал наказание на Казаковском золотом прииске. На каторге организовал школу для детей рабочих. Осенью 1863 года переведен в Горный Зерентуй, затем в деревню Кадаю. В Кадае к концу 1864 года завершил роман «Вместе», дополнил «Записки» «Сибирскими очерками».
Скончался в селе Кадае, возле Нерчинского завода.
Михайлов писал стихи, литературные и публицистические статьи («Дж. Элиот», «Дж. Ст. Милль», «Об эмансипации женщин», «Юмор и поэзия в Англии» и др.), романы и повести («Перелётные птицы», «Адам Адамыч», «Кружевница», «Африкан», «Он», «Голубые глаза» и пр.). Из беллетристических произведений известностью пользуются повесть «Адам Адамыч» и роман «Перелётные птицы», рисующий жизнь странствующих провинциальных актёров. Некоторые из поэтических переводов Михайлова («Сон негра» Лонгфелло, «Песнь о рубашке» Т. Гуда, «Скованный Прометей» Эсхила) стали хрестоматийными. Михайлов познакомил русское общество с Гейне в то время, когда поэт ещё почти не был известен в России.