Родился 20 ноября 1927 года в с.Бергамак Муромцевского района Омской области. Жена — Парфаньяк Алла Петровна, заслуженная артистка России, актриса театра им.Евг.Вахтангова. Дочь — Елена, художница. Внучка — Лиза. Правнуки Игорь и Настя (родились, когда Михаил Ульянов уже был в больнице).

Окончил театральное училище им.Б.Щукина при Государственном академическом театре имени Евгения Вахтангова (1946-1950 гг.), с которыми связана вся творческая жизнь актера. В сентябре 1987 г. был назначен художественным руководителем театра.

Его амплуа определилось сразу и четко: молодой социальный герой, достоверный, современный, сегодняшний. Очень быстро это нашло свое подтверждение в знаменательном для театра спектакле по пьесе А.Арбузова «Город на заре». Ульяновский Костя Белоус был сплавлен из безоглядного энтузиазма, наивной веры в немедленное, безоблачное, счастливое завтра, матросской удали, невероятной нежности, робости и доброты.

В первое десятилетие работы в театре роли Ульянова были главные и второстепенные, положительные и отрицательные, классика и современность, но среди калейдоскопа образов выделилась и осталась роль Рогожина в инсценировке романа Достоевского «Идиот». Его Рогожин — бешеная, испепеляющая страсть, она двигала, управляла его поступками, и он безропотно ей подчинялся. Ульянов так и играл всю роль от сжигающей страсти до отрешенной исповедальности и ни на секунду зрителя не покидало ощущение обреченности его Рогожина. Эта роль выдвинула молодого артиста в первые ряды, заставила о себе заговорить, тем более, что почти одновременно он создал образ своего современника в пьесе Арбузова «Иркутская история», который стал как бы, знаменем этого времени. Роль Сергея написана несколько однозначно, но Ульянов наделил его такими душевными человеческими красками, что сразу полюбился зрителю. Бескомпромиссность, честность сочетались с чистотой и целомудрием мировосприятия, чутким беспокойством о людях. Ульяновский Сергей буднично-героичен, поэтому человеческий подвиг совершал как-то незаметно и уходил из жизни, чтобы остаться в ней навсегда.

60-е годы — это время рождения замечательных, могучих характеров, созданных Ульяновым в кино. Его знаменитый Трубников («Председатель», 1964 г.), сыгранный страстно, темпераментно, на разрыв души, мучающийся за людей и вместе со своими людьми, стал советской классикой. Его исступленный мятежник Митя Карамазов («Братья Карамазовы», 1968 г.), генерал Чарнота («Бег», 1970 г.), сыгранный с неистовым актерским бесстрашием, маршал Жуков, настолько достоверный, что многие зрители воспринимали актера и персонаж как единое целое, эти и многие другие работы вписаны в золотой фонд отечественного киноискусства.

В 1973 году он дебютировал как режиссер, поставив на сцене Вахтанговского театра пьесу Розова «Ситуация», в 1976 году был сорежиссером в постановке «Ричарда III», в 1979 году осуществил постановку эпического романа Шукшина «Я пришел дать вам волю» и сыграл в нем Степана Разина. В 1985 году поставил сатирический памфлет американского драматурга Харси «Скупщик детей».

М.А.Ульянов снялся в кинофильмах: «Они были первыми» (Колыванов, 1956г.), «Екатерина Воронина» (Сутырин, 1957 г. ), «Дом, в котором я живу» (Каширин, 1957 г. ), «Добровольцы» (Кайтанов, 1958 г. ), «Стучись в любую дверь» (Прохоров, 1958 г. ), «Балтийское небо» (Рассохин, 1960 г. ), «Простая история» (Данилов, 1960 г. ), «Битва в пути» (Бахирев, 1961 г. ), «Тишина» (Быков, 1963 г. ), «Живые и мертвые» (член военного совета, 1964 г. ), 1966г. «Застывшие молнии» (Горбатов, 1966 г. ), 1967г. «Пока я жив» (Фролов, 1967 г. ), 1971г. «Егор Булычов и другие» (Егор Булычов, 1971 г.), «Самый последний день» (Ковалев, 1972 г.), «Освобождение» (маршал Жуков, 1976 г.), «Легенда о Тиле» (Клаас, 1976 г.), «Позови меня в даль светлую» (Николай, 1976 г.), «Обратная связь» (Нурков, 1978г.), «Блокада» (маршал Жуков, 1978 г.), «Тема» (Ким Есенин, 1979 г.), «Последний побег» (Кустов, 1980 г. ), «Факты минувшего дня» (Михеев, 1981 г. ), «Частная жизнь» (Абрикосов, 1982 г.), «Февральский ветер» (Филимонов, 1982 г. ), «Без свидетелей» (Он, 1983 г.), «Контрудар» (маршал Жуков, 1985 г. ), «Выбор» (Васильев, 1987 г. ), «Наш бронепоезд» (Иван Савич, 1989 г.), «Сталинград» (маршал Жуков, 1989 г. ), «Дом под звездным небом» (Башкирцев, 1992 г. ), «Мастер и Маргарита» (Понтий Пилат, 1995 г.), «Все будет хорошо» (дедушка, 1996 г. ), «Сочинение ко Дню Победы», «Ворошиловский стрелок» (1999 г.) и других. Вот далеко неполный перечень ролей М.А.Ульянова в телевизионных постановках: «Штрихи к портрету» (Ленин, 1969 г.), «Транзит» (Багров, 1982 г.), «Острова в океане» (Хадсон, 1978 г.), «Кафедра» (Брызгалов, 1982 г.), «Тевье-молочник» (Тевье, 1985 г.).

24 апреля 2002 года Михаил Ульянов принимал участие в церемонии открытия Центральной библиотеки Муромцевского района, которая носит имя Михаила Ульянова.

29 апреля 2004 года Михаил Ульянов последний раз вышел на сцену в роли Шмаги в спектакле «Без вины виноватые». В 2005 году Михаилу Александровичу было присвоено звание Почетного гражданина Омской области. В этом же году в Омской области была учреждена премия в сфере театрального искусства имени Михаила Ульянова, которая присуждается лучшему театру, лучшему актеру и лучшему режиссеру года.

Михаил Александрович Ульянов — Герой Социалистического Труда (1986 г.), награжден двумя орденами Ленина, орденом Октябрьской революции, «За заслуги перед Отечеством» III степени (1996 г.), орденом «За вклад в Победу» (2005 г.), кавалер Ордена Петра Великого награжден “За исключительные заслуги и достижения, способствующие величию, славе и процветанию России” (2006).

Избирался секретарем правления Союза кинематографистов СССР (1986 — 1987 гг.), председателем правления Союза театральных деятелей РСФСР (1986 — 1991 гг.), председателем Союза театральных деятелей России (1991 — 1996 гг.). С 1996 г. является Почетным Председателем Союза театральных деятелей России. Был избран народным депутатом СССР (1989 — 1992 гг.), являлся членом Центральной ревизионной комиссии КПСС (1976 — 1990 гг.), членом ЦК КПСС (1991 — 1991 гг.).

Скончался 26 марта 2007 года в Москве.
Похоронен с воинскими почестями на Новодевичьем кладбище 29 марта 2007 года.
31 мая 2007 года имя Михаила Александровича Ульянова, почетного гражданина Омской области, присвоено Омскому Государственному Северному драматическому театру. На здании театра будет установлена мемориальная доска с именем Михаила Ульянова.
Именем Михаила Ульянова назван первый 260-метровый арктический танкер ледового класса, церемония закладки которого состоялась 8 июня 2007 года. Спуск танкера на воду состоялся осенью 2008 года. В 2009 году был создан благотворительный фонд содействия и помощи ветеранам кино и театра имени Михаила Ульянова «Народный артист СССР».