Michaël Edward Lonsdale-Crouch naît à Paris : il est le fils adultérin d'une mère française et d'Edward Lonsdale-Crouch, un père anglais officier de l'armée britannique. Sa grand-mère maternelle était irlandaise. Peu après sa naissance, la famille Lonsdale déménage vers Guernesey puis part à Londres en 1935. En 1939, ils rejoignent le Maroc où son père est devenu négociant en engrais. Prisonnier du gouvernement de Vichy, il est libéré lors du débarquement des Alliés en Afrique du Nord, son fils Michael profitant à Casablanca des séances de cinéma américain destinées aux troupes.

Il anime des émissions enfantines sur Radio-Maroc dès 1943. Revenu en France en 1947, il rencontre Roger Blin qui lui fait découvrir le théâtre. En 1949, Michael et sa mère s'installent dans un immeuble face aux Invalides, dans l'appartement du grand-père maternel où l'acteur vit toujours.

Il suit le cours de théâtre de Tania Balachova. À 22 ans, il demande à être baptisé dans la foi catholique. La francisation de son prénom - en Michel - provient de l'acteur belge Raymond Rouleau qui ne parvenait pas à prononcer correctement Michael.

C'est grâce aux deux rôles offerts par François Truffaut dans La Mariée était en noir et Baisers volés qu'il se fait un nom au cinéma.

Il a tourné dans des films dits d'avant-garde (films de Marcel Hanoun) comme dans des productions hollywoodiennes (Munich de Steven Spielberg). Sa maîtrise de l'anglais lui a permis d'apparaître dans de nombreux films américains et britanniques.

Dans sa carrière, il a aussi bien joué pour des metteurs en scène comme Orson Welles, François Truffaut, Joseph Losey, Louis Malle, Luis Buñuel, Jean-Pierre Mocky, Jean Eustache ou Jean-Daniel Pollet que joué au théâtre des textes contemporains (Dürrenmatt, Beckett, Duras...) et participé à des films grand public, dont un James Bond, Moonraker en 1979, dans le rôle du méchant ou la comédie Ma vie est un enfer de Josiane Balasko, ainsi qu'à des téléfilms.

Il rencontre Michel Puig et ensemble ils fondent en 1972 le Théâtre musical des Ulis, compagnie de théâtre musical subventionnée par le ministère de la Culture.

Michael Lonsdale a également mis en scène de nombreux textes, dont parmi les plus récents Marie Madeleine des frères Martineau et La Nuit de Marina Tsvetaeva de Valeria Moretti en 2001.

Michael Lonsdale a aussi prêté sa voix à la lecture de grands textes de littérature et de philosophie (voir livres audio), ainsi qu'à Erik Satie au sein des Maisons Satie d'Honfleur.

Depuis 2001 il, est président d’honneur du Festival de Silence et l’un des présidents d’honneur du jury du prix Marguerite-Duras, auteur et réalisatrice avec laquelle il a beaucoup tourné. L'année suivante, il fait la mise en scène de la comédie musicale Marie-Madeleine des frères Martineau dans laquelle Nicole Rieu tient le rôle principal.

Il met en scène en 2010 un spectacle sur sœur Emmanuelle, après d'autres spectacles sur Thérèse de Lisieux et François d'Assise.