Née Micheline Chassagne, Micheline Presle débute au cinéma à l'âge de 15 ans en faisant de la figuration dans La Fessée de Pierre Caron en 1937, avant de jouer avec Charles Trénet dans Je chante (1938). Mais sa carrière débute véritablement grâce au succès de Jeunes Filles en détresse de Georg Wilhelm Pabst (1939), film dans lequel elle interprète le personnage de Jacqueline Presle, un patronyme qu'elle adopte ensuite comme nom de scène. L'actrice devient une vedette durant les années 30 et 40 et enchaîne les rôles de jolies jeunes premières vives et ingénues sous la direction d'Abel Gance (Le Paradis perdu, 1939), Marc Allégret (Parade en sept nuits, 1940; Felicie Nanteuil, 1942; La Belle Aventure, id.) et Jacques Becker (Falbalas, 1944).

Au lendemain de la guerre, elle casse son image de jeune fille sage avec le rôle-titre de la prostituée au grand cœur dans Boule de suif de Christian Jaque (1945). Sa célébrité est telle à cette époque qu'elle peut choisir son partenaire de jeu (Gérard Philipe) dans Le Diable au corps de Claude Autant-Lara (1946). En pleine gloire, elle quitte la France pour poursuivre sa carrière aux États-Unis mais n'y trouve pas le succès escompté. L'actrice travaille cependant avec de grands metteurs en scènes : Fritz Lang (Guérillas, 1950) ou Jean Negulesco (La Belle de Paris). Cette escapade n'est pas veine puisqu'elle tourne avec William Marshall avec lequel elle aura une fille : la comédienne et réalisatrice Tonie Marshall.

Le retour dans l'hexagone n'est pas simple : l'actrice ne retrouve pas de rôles aussi forts qu'auparavant mais elle apparaît tout de même dans des films de Sacha Guitry (Si Versailles m’était conté..., 1953; Napoléon, 1954). Cependant, elle perce en Italie grâce aux Amants de la villa Borghese de Gianni Franciolini (1954) et La Maison du souvenir avec Marcello Mastroianni. En 1960, Micheline Presle incarne un personnage comique dans Le Baron de l'écluse de Jean Delannoy, aux côtés de Jean Gabin. Elle fait la connaissance de Jacques Demy sur l'un des segments du film à sketches Les Sept Péchés capitaux (1962) et le retrouve pour Peau d'âne (1970) et L'Evénement le plus important depuis que l'homme a marché sur la Lune (1973).

Elle tourne aussi dans des films populaires d'Edouard Molinaro (La Chasse à l'homme, 1964) et Philippe de Broca (Le Roi de cœur, 1966), tout en faisant des choix audacieux (La Religieuse de Jacques Rivette). Si Micheline Presle débute les années 70 en apparaissant dans le film qui réunit Brigitte Bardot et Claudia Cardinale (Les Pétroleuses, 1971), l'actrice ne retrouve pas pour autant de rôles importants. Elle se dirige plutôt vers la télévision à travers des séries (Les Cinq dernières minutes en 1978, Bizarre bizarre en 1981) et des téléfilms. Presle continue à faire quelques apparitions dans des films de grands cinéastes comme Samuel Fuller (Les Voleurs de la nuit, 1984), Claude Chabrol (Le Sang des autres, 1983) ou Alain Resnais (I Want to Go Home, 1989) avec lequel elle obtient une nomination aux César pour le meilleur second rôle.

La comédienne se fait de plus en plus rare à partir des années 90 mais ne manque pas une occasion de figurer dans les longs métrages de sa fille Tonie Marshall, de Pas très catholique (1994) à France boutique (2003). En 2004, elle reçoit un César d'honneur venant saluer l'ensemble de sa carrière. Même après tant d'années dans le métier, elle cherche toujours à se diversifier et se met en danger dans des films sombres comme Mauvais genres (2001) qui traite de la bisexualité, avant de faire rire dans Chouchou (2003) avec l'inoubliable Gad Elmaleh. Elle retrouve ensuite une vieille connaissance, Jean-Claude Brialy, pour son dernier film : Vous êtes de la police ? (2007). Mais Micheline Presle désire aussi jouer avec des acteurs de la jeune génération comme Yannick Renier et Léa Seydoux (Plein sud, 2009) ou Pierre Niney et Nicolas Duvauchelle (Comme des frères, 2012). Son dernier long métrage de fiction est Rue Mandar avec Sandrine Kiberlain et Richard Berry, et elle donnera des conseils à une jeune comédienne dans le documentaire Je veux être actrice en 2016.