Родился 23 июня 1832 года в селе Никитинском, образование получил в Дворянском полку. По производстве в офицеры Венюков прослушал курс Санкт-Петербургского университета и в 1856 году окончил Императорскую военную академию. Вся дальнейшая его деятельность была посвящена путешествиям с научными целями. В 1857—1863 гг. Венюков объехал Амур, Уссури, Забайкалье, Иссык-Куль, Тянь-Шань, Алтай и Кавказ, в 1861 г. произведён в майоры. Затем служил в Польше председателем комиссии по крестьянскому делу. В 1868—1869 гг. он предпринял кругосветное путешествие, при чем с особенным вниманием отнесся к Китаю и Японии. 1874 г. Венюков провёл в азиатской Турции, в 1876 г. произведён в генерал-майоры, в 80-х гг. он посетил Алжир, Тунис, Сенегал и Гамбию, побережья Бразилии и Уругвая, а также острова Антильского архипелага. Результатом этих путешествий явились многочисленные печатные труды географического и военно- географического характера. Кроме того, Венюков поместил много статей в «Военном сборнике», «Русском инвалиде», «Известиях Императорского географического общества», «Русской мысли» и в других русских и заграничных изданиях. Венюков умер отставным генерал-майором 16 июля 1901 года в Париже.
Именем Михаила Ивановича Венюкова названо село Венюково Вяземского района Хабаровского края и перевал через Сихотэ-Алинь возле посёлка Кавалерово Приморского края (автомобильная трасса А181).
На перевале установлен обелиск.