Nato a Londra nel 1933, dopo aver abbandonato gli studi all’età di sedici anni, non avendo frequenta il corso d’arte drammatica del circolo ricreativo Clubland. Svolge i mestieri più disparati (fattorino, impiegato ai mercati di Londra, lavora in un piccolo teatro del Sussex e passa al Workshop Theatre di Londra, dove recita in piccole parti fino ad arrivare all’esordio cinematografico in un ruolo secondario ne I fucilieri dei mari della Cina (1956) di J. Amyes.

Dopo altre parti di secondo piano (Come uccidere uno zio ricco - 1957 - di Nigel Patrick, Destinazione Tunisi - 1957 - di Michael Carreras, La chiave - 1958 - di Carol Reed, Scuola di spie - 1958 - di Lewis Gilbert, I due volti del generale Ombra - 1958 - di Andre De Toth, Passaporto per l’inferno - 1958 - di Alvin Rakoff, Danger Within - 1959 - di Don Chaffey, Foxhole in Cairo - 1960 - di John Llewellyn Moxey, … e la Terra prese fuoco - 1961 - di Val Guest, Solo For Sparrow - 1962 - di Gordon Fleming, Il braccio sbagliato della legge - 1963 - di Cliff Owen) ed il suo primo film di una certa importanza (Zulu - 1964 - di Cy Endfield), il produttore H. Saltzman gli affida il ruolo da protagonista in Ipcress (1965) di Sidney J. Furie, in cui dà vita alla figura dell’ombroso, taciturno e flemmatico agente segreto Harry Palmer, una sorta di antitesi del coevo James Bond (all’epoca interpretato da Sean Connery).

Analoga atmosfera antieroica si ritrova anche nel successivo Funerali a Berlino (1966) di Guy Hamilton e, sia pur più sfumata, ne Il cervello da un milione di dollari (1967) di Ken Russell.

Dopo aver interpretato Alfie (1967) di Lewis Gilbert, appare come protagonista in numerosi film medi, fornendo qua e là performances di alto livello (Gli insospettabili - 1972 - di Joseph L. Mankiewicz, in cui lavora con il grande Laurence Olivier o L’uomo che volle farsi re - 1975 - di John Huston, in cui recita con Sean Connery, in un “gara di bravura”, in cui stabilire un “vincitore” sarebbe impresa piuttosto ardua).

Con California Suite (1978) di Herbert Ross, in cui lavora con Walther Matthau, la sua vena sembra volgere verso la commedia, come avviene in Hannah e le sue sorelle (1986) di Woody Allen, con cui vince l'Oscar come Miglior Attore Non Protagonista, Due figli di… (1988) di F. Oz, Senza indizio (1988) di Thom Eberhardt, in cui interpreta Sherlock Holmes.

Tuttavia, non smette di lavorare ancora in forti ruoli drammatici, come in Vestito per uccidere (1980) di Brian De Palma o in Blood and Wine (1997) di Bob Rafelson.

Nel ’99 vince un secondo Oscar come Miglior Attore Non Protagonista per Le regole della casa del sidro di Lasse Hallstrom e, tre anni dopo, interpreta The Quiet American (2002) di Philip Noyce, tratto dal libro omonimo di Graham Greene.

Dopo i settant’anni si rimette in gioco in The Weather Man - L’uomo delle previsioni (2005) di G. Verbinski, The Prestige (2006) di Christopher Nolan, I figli degli uomini (2006) di A. Cuaron e Sleuth - Gli insospettabili (2007) di Kenneth Branagh, remake del già citato film del 1972 ed in cui interpreta il ruolo che trentacinque anni avanti era stato di Laurence Olivier.

Nei tre episodi della serie di Batman diretti da Christopher Nolan (Batman Begins - 2005 -,  Il cavaliere oscuro - 2008 - e Il cavaliere oscuro - Il ritorno - 2012) ha il ruolo del fedele maggiordomo Alfred.

Fra gli altri film ricordiamo Gambit - Grande furto al Semiramis (1966) di Ronald Neame, La cassa sbagliata (1966) di Bryan Forbes, E venne la notte (1967) di Otto Preminger, Passo falso (1968) di Bryan Forbes, Gioco perverso (1968) di Guy Green, I lunghi giorni delle aquile (1969) di Guy Hamilton, Un colpo all’italiana (1969) di Peter Collinson, I sette senza gloria (1969) di Andre De Toth, Non è più tempo d’eroi (1970) di Robert Aldrich, L’ultima valle (1970) di James Clavell, Carter (1971) di Mike Hodges, Il ribelle di Scozia (1971) di Delbert Mann, X, Y e Zi (1972) di Brian G. Hutton, Colpiscono senza pietà (1972) di Mike Hodges, Il caso Drabble (1974) di Don Siegel, Contratto marsigliese (1974) di Robert Parrish, Una valigia piena di dollari (1975) di Peter Hyams, Il seme dell’odio (1975) di Ralph Nelson, Una romantica donna inglese (1975) di Joseph Losey, La notte dell’aquila (1977) di John Sturges, Quell’ultimo ponte (1977) di Richard Attenborough, Uomini d’argento (1978) di Ivan Passer, Ashanti (1979) di Richard Fleischer, L’inferno sommerso (1979) di Irwin Allen, Fuga per la vittoria (1981) di John Huston, L’isola (1980) di Michael Ritchie, La mano (1981) di Oliver Stone, Trappola mortale (1982) di Sidney Lumet, Rita, Rita, Rita (1983) di Lewis Gilbert, Il console onorario (1983) di John MacKenzie, Quel giorno a Rio (1984) di Stanley Donen, Triplo gioco (1984) di Terence Young, Il ritorno delle aquile (1985) di John Frankenheimer, Mona Lisa (1986) di Neil Jordan, Investigazione letale (1986) di Simon Langton, Misteri (1986) di Bob Swaim, Sweet Liberty - La dolce indipendenza (1986) di Alan Alda, Quarto protocollo (1987) di John MacKenzie, Doppia coppia all’otto di picche (1990) di Michael Winner, Mr Destiny (1990) di James Orr, Rumori fuori scena (1992) di Peter Bogdanovich, Ghiaccio blu (1992) di Russell Mulcahy, Festa in casa Muppet (1992) di Brian Henson, Then There Were Giants (1994) di Joseph Sargent, Intrigo a San Pietroburgo (1996) di Douglas Jackson, Zona d’ombra (1998) di Geoffrey Reeve, Little Voice - E’ nata una stella (1998) di Mark Herman, Quills - La penna dello scandalo (2000) di Philip Kaufman, Miss Detective (2000) di Donald Petrie, La vendetta di Carter (2000) di Stephen T. Kay, L’ultimo bicchiere (2001) di Fred Schepisi, The Quiet American (2002) di Philip Noyce, Quicksand - Accusato di omicidio (2003) di John MacKenzie, The Statement - La sentenza (2003) di Norman Jewison, Dietro l’angolo (2004) di Jordan Roberts, Vita da strega (2005) di Nora Ephron, Is Anybody There? (2009) di John Crowley.

Ancora attivo in età avanzata, i suoi ultimi film sono stati Inception (2010) di Christopher Nolan, Viaggio nell’isola misteriosa (2012) di Brad Peyton, Now You See Me - I maghi del crimine (2013) di Louis Leterrier, Interstellar (2014) di Christopher Nolan, Youth - La giovinezza (2015) di Paolo Sorrentino, Now You See Me 2 (2016) di John M. Chu, Insospettabili sospetti (2017) di Zach Braff, Dear Dictator (2018) di Lisa Addario e Joe Syracuse   

Michael Caine è anche autore del libro Recitare davanti alla macchina da presa, eccellente manuale di recitazione pubblicato in Italia da Dino Audino editore nel 2013.