Pur produit new-yorkais, Michael Imperioli grandit dans l'état de New York aux États-Unis. Une fois le lycée terminé, il rejoint le New York City's Stella Adler Conservatory où il étudie la comédie. Il a 22 ans lorsqu’il débute sa carrière dans le film Alexa, de Sean Delgado. L'année suivante, il croise Morgan Freeman sur le plateau de Lean on me, où il joue un rôle mineur. C'est en 1990 que, pour la première fois, le jeune acteur se fait remarquer. En tant qu'italo-américain, Imperioli n'a aucune difficulté à obtenir un rôle dans Les Affranchis, de Martin Scorsese. Le jeune Spider qui se fait tirer dans le pied par Tommy (Joe Pesci), c'est lui ! C'est aussi dans Les Affranchis qu'il croise pour la première fois Lorraine Bracco, Tony Sirico et Vincent Pastore, qu'il retrouvera quelques années plus tard dans Les Soprano.

Malgré le succès du film et le rôle marquant qu'il joue dans ce long métrage, Imperioli a du mal à joindre les deux bouts. Il court les castings et obtient des rôles de second plan dans de gros succès hollywoodiens tels que Malcolm X, Bad Boys ou encore The Basketball diaries. Il participe aussi à de nombreux téléfilms, comme Firehouse, où il croise un certain Richard Dean Anderson, et à quelques séries policières (New York Police Judiciaire , New York Police Blues ou encore New York Undercover), sans jamais crever l'écran.

1999 est une année charnière. L'acteur mise sur ses origines italiennes en décrochant un rôle dans une série sur la mafia new-yorkaise, destinée à la chaîne câblée HBO : Les Soprano. Pendant 6 saisons, Michael Imperioli incarne Christopher Moltisanti, un lieutenant de la mafia, le protégé de Tony Soprano. Le show est un succès interplanétaire et est considéré comme l'un des meilleurs jamais produits, apportant renommée et reconnaissance à ces interprètes. Ce rôle vaut à Imperioli pas moins de 5 nominations, dont une statuette, aux Emmy Awards et 2 nominations aux Golden Globes. Profitant de cette popularité, le comédien met à profit ses talents de scénariste en signant 5 épisodes des Soprano. Fort de cette expérience, il écrit en 2000 le script du film de Spike Lee, Summer of Sam. Jouant sur plusieurs tableaux, il fonde un théâtre à Broadway, dont il est le directeur artistique, participe à un épisode des Simpson et prête sa voix à Frankie dans Gang de requins.

A l’arrêt des Soprano, en 2007, Imperioli ne reste pas au chômage bien longtemps. Avec son partenaire John Ventimiglia, il joue dans le long métrage portuguais The Lovebirds, puis obtient un des rares rôles américains de The Higher Force. Il revient au petit écran en 2008 en incarnant l'inspecteur Ray Carling dans le remake US de Life on Mars. Malheureusement, la série est annulée au bout d’une unique saison de 17 épisodes. Michael Imperioli en profite pour se concentrer sur The Hungry Ghosts, un projet cinématographique qu'il écrit et dirige. La même année, il partage l'affiche avec Mark Wahlberg, Rachel Weisz, Susan Sarandon et Stanley Tucci du Lovely Bones, de Peter Jackson. Après des apparitions dans Mercy Hospital et La Vie secrète d'une ado ordinaire , il est, à l’automne 2010, au générique de Detroit 1-8-7, une nouvelle série du network ABC, dans laquelle il tient l'un des rôles principaux, celui de l'inspecteur Louis Fitch.