Diplômé de la Wesleyan University et de l'Art Center College of Design de Pasadena, Michael Bay se lance à 24 ans dans la réalisation de clips vidéos, parallèlement à ses études. Rapidement engagé par Propaganda Films après un clip pour Donny Osmond, il travaille pour des artistes comme Aerosmith, Tina Turner, Meat Loaf et Lionel Richie. En même temps, il aborde la mise en scène de spots publicitaires et réalise des campagnes pour la Croix Rouge, Nike, Budweiser, Coca Cola ou encore Reebok. Ce statut de "clippeur" inspire son style visuel à venir : montage rapide, mouvements de caméra visibles, images esthétisées (filtres, saturation des couleurs, etc.).

En 1995 il exporte son savoir-faire au cinéma en dirigeant Will Smith et Martin Lawrence dans son premier long métrage, Bad boys, un buddy movie survitaminé qui redynamise le genre. Avec près de 160 millions de dollars de recettes à travers le monde, ce succès inespéré perche Michael Bay dans les hautes sphères des artistes rentables. C'est aussi le point de départ d'une collaboration fructueuse avec le producteur Jerry Bruckheimer, d'où naîtra un grand nombre de films lucratifs.

Michael Bay s'engage dans la voie de la surenchère budgétaire et pyrotechnique, faisant de l'action la matière même du film, et inventant sans cesse de nouvelles façons de filmer. The Rock, en 1996, ainsi que Armageddon deux ans plus tard, redéfinissent les limites de l'action movie. Prenant pour décor la prison désaffectée d'Alcatraz ou pour prétexte la menace d'un astéroïde voué à s'écraser sur Terre, Michael Bay en profite pour dynamiter les formes habituelles de mise en scène, et transforme au passage Nicolas Cage et Ben Affleck en icônes du cinéma d'action. Même principe pour Pearl Harbor en 2001 qui, sur fond de reconstitution historique, révèle Josh Hartnett et Kate Beckinsale.

Après Bad boys 2 en 2003, pour lequel le réalisateur retrouve les deux compères du premier volet, Michael Bay change radicalement de genre avec The Island. Mettant entre parenthèses sa collaboration avec Jerry Bruckheimer, il produit également ce film de science-fiction avec Scarlett Johansson et Ewan McGregor. Le succès relatif de ce dernier n'empêche pas le cinéaste de retenter sa chance dans le genre : avec, Transformers, adaptation du dessin animé, il transforme un rêve d'enfant en réalité. Triomphe au box-office (plus de 300 millions de dollars de recettes aux Etats-Unis), ce blockbuster, qui révèle Shia LaBeouf, se voit doté de deux suites, Transformers la revanche, en 2009, et Transformers 3, en 2011.

Deux ans plus tard, il change de registre avec No Pain No Gain, un film à "petit" budget qui ne comporte ni robots ou autres météorites géantes, mais qui est centré sur les véritables activités criminelles d'un gang de bodybuilders ayant sévi à la fin des années 1990.

En parallèle, Michael Bay a créé deux sociétés de production : Bay Films, qui reste l'une des premières entreprises hollywoodiennes en termes de rentabilité, ainsi que Platinum Dunes, lancée en 2001 avec Andrew Form et Brad Fuller, vouée au financement de jeunes talents sur des projets à budgets moindres. C'est avec cette dernière qu'il a produit les remakes à succès de séries B fantastiques, type Massacre à la tronçonneuse, Amityville et Hitcher. Il s'essaie en 2013 au slasher movie et à la SF en produisant American Nightmare et Project Almanac, jouant sur le found footage et, de nouveau, sur un budget réduit par rapport à ceux dont il profite pour ses réalisations.

Continuant à profiter des franchises, Michael Bay réalise en 2013 le quatrième volet toujours très rentable de Transformers : l'âge de l'exctinction alors qu'il avait initialement prévu de passer la main à un autre cinéaste pour ce nouvel opus. Il y retrouve Mark Wahlberg qui avait déjà joué dans "No Pain no gain" et qui remplace dès lors Shia LeBeouf dans le rôle principal. Après quoi, le metteur en scène s'attelle à un projet plus modeste sans grande star au casting : 13 Hours, une histoire vraie où six agents de sécurité ont repoussé l'attaque de terroristes dans camp de l'armée américaine à Benghazi, en Libye. Il poursuit avec Transformers: The Last Knight, cinquième opus de la franchise robotique qui connaît un succès moindre.

Toujours en parallèle de son rôle de producteur (Sans un bruit et sa suite, Bumblebee, Songbird, etc.), Michael Bay réalise en 2020 pour Netflix l'explosif 6 Underground, emmené par Ryan Reynolds, puis Ambulance, film de braquage où Jake Gyllenhaal et le très à la mode Yahya Abdul-Mateen II tiennent les rôles principaux.