Fils de parents russes anti-bolchéviques qui ont émigré en France, Michel Subor débute au cinéma aux côtés de Louis De Funès (Mon pote le gitan, 1959) et en donnant la réplique à Brigitte Bardot dans La Bride sur le cou de Roger Vadim (1961). Il surfe ensuite sur la Nouvelle Vague en devenant le narrateur de Jules et Jim (1962) de François Truffaut, et en incarnant Le Petit soldat (1963) de Jean-Luc Godard. Avec André Cayatte (La Vie conjugale, 1964), il s'essaie également à un cinéma plus traditionnel. Tentant sa chance à l'étranger, il tourne sous la direction des anglais Clive Donner (Quoi de neuf, Pussycat ?, 1965) et Alfred Hitchcock, dans le thriller d'espionnage L'Etau (1969).

Durant les années 70, Michel Subor se consacre essentiellement à la télévision, s'illustrant dans les séries Mauregard (1970) et La Ligne de démarcation (1973) et les téléfilms L'Oreille absolue (1972) et Sultan à vendre (1974). Sa carrière cinématographique trouve un second souffle grâce à Jean-Louis Bertucelli qui le dirige tour à tour dans Docteur Françoise Gailland (1975), L'Imprécateur (1977) et Stress (1984). C'est toutefois Gérard Blain qui le sort de l'oubli en lui confiant en 1980 un rôle de premier plan, celui du promoteur homosexuel Beaufils, dans Le Rebelle.

Après une longue traversée du désert, Michel Subor effectue en toute discrétion un retour au cinéma d'auteur à la fin des années 90. Andrzej Zulawski fait ainsi appel à lui pour les besoins de La Fidélité (2000), tandis que Philippe Garrel l'imagine en démon tentateur et malfaisant dans Sauvage innocence (2001). L'ayant dirigé dans Beau travail en 1999, Claire Denis garde de lui le souvenir d'"un bloc massif, imperméable (...) Et en même temps, il nous échappait, il rêvait. Il glissait dans son propre film comme dans un univers parallèle. Entre nous, on appelait ça "suboriser"", d'après les propres mots de la cinéaste.

En 2004, Claire Denis collabore à nouveau avec lui et fait du comédien septuagénaire L'Intrus de son film. Il faut ensuite attendre cinq ans avant de le retrouver au cinéma. Dans White Material (2009), il joue le propriétaire d'une plantation de café en Afrique, partageant l'affiche avec Isabelle Huppert. Enfin en 2012, il retrouve la France pour L'Hiver dernier de John Shank, un film qui traite du monde paysan avec lVincent Rottiers dans le rôle titre.

Ses derniers rôles ont été pour le petit écran, dans la saison 4 de Braquo (2016) et la saison 1 de Aux animaux la guerre (2018).