Après avoir étudié à la London's International Film School, Michael Mann débute sa carrière en réalisant des documentaires, des spots publicitaires et le court-métrage Juanpuri, pour lequel il reçoit le prix du jury au Festival de Cannes en 1970. Cinq ans après, il devient scénariste pour la télévision et travaille notamment sur la série Starsky et Hutch. Michael Mann passe ensuite à la réalisation de son premier téléfilm en 1979 avec Comme un homme libre, drame se déroulant dans l'univers carcéral.

Michael Mann continue dans le registre du polar avec Le Solitaire en 1981, long métrage interprété par James Caan. Le réalisateur enchaîne en 1983 avec La Forteresse noire, mélange habile de fantastique et de film de guerre. Le réalisateur accède ensuite à la célébrité en créant et en produisant la série Deux flics à Miami avec la star montante de l'époque Don Johnson. Fort de ce succès, il est le premier metteur en scène à se familiariser avec l'univers malsain de Thomas Harris en adaptant en 1986 au cinéma son roman Dragon Rouge. Le Dr. Hannibal Lecter apparaît ainsi pour la première fois sous les traits de Brian Cox dans Le Sixième sens. Le style épuré et glacial du film fait grand bruit.

Après un nouveau passage par la télévision avec L.A. takedown en 1989 et un détour par la fresque historique avec Le Dernier des Mohicans en 1992, le cinéaste, reconnu comme l'un des plus talentueux des années 80, revient à ses premières amours, le film policier. Avec Heat, le cinéaste orchestre un face-à-face au sommet entre Robert De Niro et Al Pacino. Sa brillante direction d'acteurs et le soin qu'il apporte à chaque plan sont à nouveau perceptibles dans deux films inspirés de faits réels : Révélations en 2000,  nommé à l'Oscar dans les catégories Meilleur film et Meilleur réalisateur, et Ali en 2002, sur la carrière mouvementée du célèbre boxeur.

Deux ans plus tard, pour Collateral, Michael Mann fait de Los Angeles le théâtre d'une virée meurtrière et nocturne d'un chauffeur de taxi interprété par Jamie Foxx pris en otage par un mystérieux tueur à gages incarné par Tom Cruise. Le cinéaste adapte en 2006 sa propre série, Miami vice - Deux flics à Miami avec Jamie Foxx et Colin Farrell dans les rôles des détectives Tubbs et Crockett.

Après avoir produit Le Royaume et Hancock de Peter Berg, Michael Mann repasse derrière la caméra en 2009 et réunit pour la première fois Johnny Depp et Christian Bale aux côtés de Marion Cotillard dans Public Enemies, film centré sur John Dillinger, célèbre gangster des années 30. En 2014, le metteur en scène revient avec le cyberthriller Hacker. Le film suit la traque d'un cybercriminel par le personnage incarné par Chris Hemsworth, un ancien hacker contraint de coopérer avec les autorités.