Issue d'une famille chinoise anglophone, Michelle Yeoh, de son nom de naissance Yeoh Choo-Kheng, pratique assidûment plusieurs sports dès l'enfance, au point de suivre une formation de ballerine à la prestigieuse Royal Ballet School de Londres à l'âge de 15 ans. Mais une blessure la contraint à changer de voie.

Dès son retour de Londres, elle est élue Miss Malaisie en 1983 et tourne peu de temps après une publicité avec Jackie Chan. Elle se fait remarquer par la compagnie de production D&B Films qui va lancer sa carrière d'actrice dans le cinéma hongkongais. Elle apprend ainsi le cantonais et se forme intensément au kung-fu. Elle fait ses débuts au cinéma en 1984 sous la direction de Sammo Kam-Bo Hung dans la comédie d'action The Owl vs. Bumbo. L'année suivante, elle retrouve le réalisateur et Jackie Chan pour une autre comédie de kung-fu, Le Flic de Hong Kong 2, et décroche le rôle féminin principal du Sens du devoir II. Elle enchaîne les films d'action et s'impose comme l'une des actrices phares du genre, exerçant elle-même ses propres cascades, à l'instar de Jackie Chan. 

Malgré ce succès, elle met entre parenthèses sa carrière à la fin des années 1980 pour se consacrer à son mariage avec l'homme d'affaires et producteur Dickson Poon, patron de D&B Films. Après leur divorce, elle revient devant la caméra en 1992 avec le film Police Story III: Supercop, retrouvant Jackie Chan. Le triomphe au box-office est tel qu'elle devient l'actrice la mieux payée du cinéma asiatique. Elle multiplie les rôles, ce qui l'amène à collaborer avec Yuen Woo Ping, cinéaste et chorégraphe avec qui elle travaille sur Tai chi master en 1993, Wing Chun en 1994. Elle abandonne à la même époque le pseudonyme qui lui était donné à ses débuts, Michelle Khan, pour Michelle Yeoh.

En 1997, Hollywood lui ouvre ses portes avec le rôle d'une James Bond Girl dans Demain ne meurt jamais. Elle obtient une notoriété internationale dans un rôle mettant aussi bien en valeur son jeu de scène que son côté physique. C'est donc tout naturellement que le réalisateur Ang Lee la contacte pour jouer en 2000 dans Tigre et dragon, où à travers les chorégraphies de Woo-ping Yuen, elle sait faire preuve d'un jeu alternant action et légèreté. Le long-métrage emballe aussi bien le public que la critique et obtient quatre Oscars, parmi dix nominations.

Dès lors, sa carrière se partage entre l'Asie de l'est et les Etats-Unis. L'année 2002 permet à la comédienne d'ajouter une corde à son arc en créant sa propre société de production, Mythical Films, devenant ainsi productrice exécutive du film Le Talisman de Peter Pau dans lequel elle incarne aussi le rôle féminin principal. Quatre ans plus tard, elle partage l'affiche du drame de Rob Marshall, Mémoires d'une geisha, avec trois autres grands acteurs asiatiques Zhang Ziyi, Gong Li et Ken Watanabe. On la retrouve ensuite aux côtés de Jet Li dans un film où ses capacités physiques sont de nouveaux mises en avant, Le Maître d'armes.

Ses projets se succèdent à un rythme rapide, elle est à l'affiche de quatre films au cours des années 2007-2008, des aventures fantastiques comme Sunshine du britannique Danny Boyle et La Momie 3 : la tombe de l'empereur dragon, mais aussi du drame historique, Les Orphelins de Huang Shi, aux côtés de Jonathan Rhys-Meyers. Dans la même année, Mathieu Kassovitz lui offre l'un des rôles principaux de son film de science-fiction Babylon A.D..

Après deux nouvelles expériences en 2010 dans des films d'action (True Legend et Reign of Assassins), elle s'essaie à l'animation en prêtant sa voix au personnage Soothsayer dans Kung Fu Panda 2. Elle est également à l'origine du projet The Lady (2011), biopic de Luc Besson sur l'activiste birmane et Prix Nobel de la Paix Aung San Suu Kyi, interprétée par Yeoh elle-même. 

À quelques exceptions près (la suite de Tigre et Dragon et IP Man Legacy: Master Z), sa carrière à partir des années 2010 se joue outre-Atlantique. Elle rejoint deux grosses franchises : le Marvel Cinematic Universe où elle tient deux rôles distincts dans Les Gardiens de la Galaxie 2 en 2017 et Shang-Chi et la légende des dix anneaux en 2021 ; et Star Trek avec la série Star Trek: Discovery de 2017 à 2020. 

L'actrice sait aussi s'illustrer dans des projets moins démesurés mais tout aussi lucratifs comme la comédie romantique Crazy Rich Asians et le déjanté Everything Everywhere All at Once (2022). Le premier est l'un des succès surprises de l'année 2018, rapportant plus de 238 millions de dollars de recettes dans le monde pour un budget de 30 millions, tandis que le second est le plus gros succès de la société de production A24 et bénéficie d'un bouche-à-oreille extrêmement positif auprès des spectateurs. Deux projets qui ont en commun de reposer sur un casting d'origine asiatique. Dans Everything Everywhere All at Once, la comédienne campe une mère de famille et patronne d'une laverie chargée de sauver le monde en explorant des univers parallèles. Une performance qui permet à Michelle Yeoh d'être la première actrice d’origine asiatique à remporter l'Oscar de la meilleure actrice en 95 ans de cérémonies.

Plus sollicitée que jamais, Michelle Yeoh sera prochainement dans les suites d'Avatar et dans le spin-off de The Witcher intitulé Blood Origin.