Михаил Миль родился в Иркутске, в семье еврейского происхождения[неавторитетный источник? 111 дней], его отец, Леонтий Самойлович Миль, был железнодорожным служащим, мать, Мария Ефимовна, — зубным врачом. Его дед, Самуил Миль, был кантонистом, после 25 лет на флоте осел в Сибири.
В двенадцатилетнем возрасте Михаил сделал модель самолёта, которая победила на конкурсе в Томске. В 1925 году поступил в Сибирский технологический институт, проучился там два года, а затем перевелся на механический факультет Донского политехнического института в Новочеркасске, где была авиационная специальность.
Окончив институт в 1931 году, Миль работал в ЦАГИ им. Н. Е. Жуковского, участвовал в разработке автожиров А-7, А-12 и А-15, работал на автожирном заводе заместителем Николая Камова. В годы Великой Отечественной войны с 1941 по 1943 гг. Миль работал в эвакуации в посёлке Билимбай, в основном занимаясь усовершенствованием боевых самолётов, улучшением их устойчивости и управляемости.
В 1947 году Миль стал главным конструктором опытного КБ по вертолётостроению. В 1951 под руководством Миля был создан первый советский серийный 3-местный вертолёт Ми-1. В 1964 Миль стал генеральным конструктором опытного КБ. Его коллективом были созданы вертолёты Ми-2, Ми-4, Ми-6, Ми-8, Ми-10, Ми-12, Ми-24 и др.
Умер 31 января 1970 года в Москве. Похоронен на Юдинском кладбище недалеко от железнодорожной платформы Перхушково.