Михаил Ульянов родился 20 ноября 1927 года в селе Бергамак Омской области. Его отец, Александр Андреевич, работал председателем совхоза, затем председателем горисполкома города Тара, где прошло детство будущего актера. Мать ,Елизавета Михайловна, была домохозяйкой.

Во время Великой Отечественной в Омскую область была эвакуирована группа украинских театральных актеров, которые организовали театральную студию, в которой Михаил начал заниматься. Серьезно увлекшись сценой, в 1944-м он уехал в Омск и поступил учиться в студию при областном драматическом театре, а в 1946-м отправился в Москву, где поступил в Театральное училище им. Щукина. По окончании учебы в 1950-м Ульянов был зачислен в театр имени Евгения Вахтангова, где играл всю жизнь. Со временем он стал не только «лицом» театра, но и его художественным руководителем.

В кино Ульянов дебютировал в 1956 году. Его первые роли были либо в фильмах о войне, либо в картинах жанра соцреализма, где Ульянов представал в образе современного положительного героя, «строителя коммунизма». В таком духе была сыграна первая яркая роль Ульянова в фильме «Добровольцы» (1958). Однако большую известность принес ему более реалистичный образ председателя послевоенного колхоза из драмы «Председатель» (1964). В 1966-м году за эту роль актер удостоился Ленинской премии.

В 1968-м Михаил Ульянов впервые сыграл маршала Георгия Жукова в начальном фильме военной эпопеи Юрия Озерова «Освобождение». В 1969-м он дебютировал в качестве режиссера, совместно с Кириллом Лавровым досняв фильм «Братья Карамазовы» по роману Достоевского, где также сыграл одну из главных ролей. Эта лента была даже номинирована на «Оскар» среди иностранных фильмов. В том же году Ульянову было присвоено звание Народного артиста СССР.

К 1971-му году были сняты еще четыре фильма из серии «Освобождение», благодаря которым образ Жукова стал визитной карточкой Ульянова. В общей сложности он играл великого полководца в полутора десятках фильмов, иногда даже замещая его на «документальных» кадрах. Но успех приносили ему и другие роли, а одной из лучших стала работа в драме «Частная жизнь» (1982). За эту роль Ульянов удостоился специального приза Венецианского кинофестиваля.

Даже с наступлением кризисных 90-х Ульянов сохранил достойное место на экране, хотя куда больше времени уделял театру. Однако и в новом российском кино у него немало блестящих работ. Это и Понтий Пилат в экранизации «Мастера и Маргариты» (1994), и оригинальная роль в комедии «Все будет хорошо» (1995) и криминальный авторитет Отец из боевика «Антикиллер» (2002). А настоящим бенефисом Ульянова стала роль «народного мстителя» в фильме Станислава Говорухина «Ворошиловский стрелок» (1999), за которую он получил премию «Ника».

В 2005-м у актера обострились проблемы со здоровьем, он перенес операцию, но продолжил работать в театре, однако весной 2007-го снова был госпитализирован. 26 марта 2007 года Михаил Ульянов скончался в возрасте 79 лет. Похоронен на Новодевичьем кладбище Москвы с воинскими почестями.