Né dans le Kentucky où il passe son enfance, Michael Shannon est un jeune adolescent lorsqu'il fait ses débuts professionnels sur les planches de Chicago. C'est au sein de plusieurs troupes aux noms plus improbables les uns que les autres (le Steppenwolf, The Nexte Lab...) qu'il apprend le métier, entre Londres et la ville de ses débuts. L'opportunité de découvrir la télévision se présente en 1992, lui permettant d'incarner plusieurs années durant, des seconds rôles dans divers téléfilms (Les Anges de la crime, Overexposed, etc.).

L'année suivante lui permet d'accéder au cinéma avec une brève apparition dans Un Jour sans fin. Sa carrière de "supporting actor" s'intensifie à partir des années 2000 : Vanilla Sky et Pearl Harbor en 2001, ou encore 8 Mile en 2003. Ses performances se font peu à peu remarquer, son visage commence à devenir familier du public et il enchaîne de grosses productions comme Bad Boys II (2003) ou World Trade Center (2005), ainsi que quelques séries (New York Unité Spéciale, Brothers & Sisters).

La carrière de Michael Shannon prend définitivement son envol en 2007, lorsqu'il reprend le rôle principal de Bug, qu'il avait déjà interprété au théâtre, dans un film de William Friedkin (L' Exorciste) plébiscité par la critique. Dès lors, une nouvelle stature se profile doucement et son talent éclate véritablement au grand public en 2009, lorsqu'il côtoie Kate Winslet et Leonardo DiCaprio sous les ordres de Sam Mendes et que sa performance dans Les Noces rebelles lui offre alors une nomination aux Oscars pour le meilleur second rôle.

Il devient l'un des porte-drapeaux d'une nouvelle génération d'acteurs orphelins du suicide d'Heath Ledger (à qui certains le comparent) et les propositions se multiplient. L'année 2010 est celle de la confirmation. Michael Shannon est désormais sollicité pour des rôles plus importants : agent de rockstars dans Les Runaways, comédien schizophrène chez Werner Herzog (Dans l'oeil d'un tueur), ou détective privé dans The Missing Person.

Les opportunités se faisant plus nombreuses, le comédien peut s'offrir de grands rôles comme celui du père paranoïaque dans Take Shelter du prometteur cinéaste Jeff Nichols, qu'il retrouve pour Mud (2013) mais surtout le film de SF Midnight Special (2016) dans lequel il est embarqué avec son fils dans une chasse à l'homme à la fois intense et mystérieuse. Parallèlement, Michael Shannon incarne un personnage régulier dans les 5 saisons de l'ambitieuse série sur la prohibition produite par Martin Scorsese, Boardwalk Empire. Il s'agit du taciturne agent Nelson Van Alden, chargé de lutter contre les trafiquants d'alcool.

Côté cinéma, l'acteur varie les rôles et les projets, avec une certaine tendance à briller dans la peau de personnages inquiétants. Il se retrouve ainsi policier corrompu pourchassant Joseph Gordon-Levitt (Premium Rush), redoutable tueur à gages (The Iceman), méchant d'un blockbuster super héroïque (Man of Steel) et homme d’affaires impitoyable (99 Homes). Tournant beaucoup, le natif de Lexington campe Elvis Presley dans Elvis & Nixon, donne la réplique à Rachel Weisz dans le troublant Identities et incarne de solides seconds rôles dans Loving et Nocturnal Animals.

Michael joue ensuite le brutal colonel Richard Strickland dans l'oscarisé La Forme de l'eau, puis prend part à différents genres, comme la guerre (Horse Soldiers), le thriller (À couteaux tirés, The Quarry), la SF (Fahrenheit 451), l'horreur (Night's End), le drame sportif (Heart of Champions) et l'action (Bullet Train). Il n'en oublie pas les séries, comme en témoignent ses prestations dans Waco, The Little Drummer Girl, Perfect Strangers et George & Tammy. Dans cette dernière, centrée sur la romance du célèbre couple de chanteurs de country Tammy Wynette et George Jones, il retrouve Jessica Chastain.