De son vrai nom Michael Danielovitch, il est le fils de l'acteur Kirk Douglas. Étudiant l'art dramatique à l'université de Santa Barbara, en Californie, il y rencontre Danny DeVito, avec lequel il devient ami et partage souvent l'affiche.
Il joue dans un feuilleton télévisé aux multiples épisodes : Les Rues de San Francisco de 1972 à 1976. Bien qu'acteur, sa carrière est quelque peu au point mort après la série. Il n'apparaît que dans des films sans grand succès populaire (par exemple, Le Vainqueur en 1979). Tout ceci change radicalement avec la comédie romantique À la poursuite du diamant vert en 1984. Son rôle dans ce film classé au box-office lui permet un retour dans les studios, en tant qu'acteur reconnu et agréable à diriger.
Michael Douglas reçoit un Academy Award en 1975 pour Vol au-dessus d'un nid de coucou en tant que producteur.
En 1980, il a un grave accident de ski qui interrompt sa carrière pendant trois ans.
Il joue dans Liaison fatale (1987) avec Glenn Close et le film eut un succès planétaire. Il reçoit un autre Academy Award en 1988 pour le premier rôle dans Wall Street.
À l'issue du tournage de Basic Instinct (1992), il subit une cure de désintoxication au Sierra Tucson Center (septembre 1992). S'il ne s'est jamais vraiment caché de sa consommation d'alcool et de cocaïne, il est probable que cette hospitalisation a pour origine une infection survenue à la suite de son usage abusif de psychotropes. Douglas exprimera immédiatement cette expérience douloureuse dans le film Chute Libre (1993) et, quelques années plus tard (de façon atténuée), dans Traffic (2000).
Il épouse Diandra Luker le 20 mars 1977 ; ils ont un fils prénommé Cameron. Ils se séparent en 2000 après 23 ans de vie commune, Diandra l'accusant de misogynie, d'être absent, et de ne pas être un bon père pour Cameron. La même année, le 18 novembre 2000, il épouse l'actrice Catherine Zeta-Jones qui a exactement 25 ans de moins que lui. Ils ont deux enfants : Dylan Michael (né le 8 août 2000) et Carys Zeta (née le 20 avril 2003).
