Lycéen à Long Island, Michael Cuesta étudie la photo et le design à la School of Visual Arts de New York et réalise, à partir de 1992, de nombreux spots publicitaires. A la fin des années 90, il écrit, avec son frère et un camarade de fac, un récit aux accents autobiographiques sur la jeunesse dans les banlieues américaines. Ce sera le scénario de son premier long métrage, Long Island Expressway (L.I.E.), remarqué à Sundance en 2001 et primé à Deauville en 2002. Avec un troublant mélange de délicatesse et d'audace, il y évoque la relation ambiguë qui unit un garçon de quinze ans à un quinquagénaire interprété par Brian Cox.

Après ce brillant coup d'essai, Michael Cuesta signe en 2006 Twelve and holding, son deuxième long métrage, également présenté à Deauville. A travers le portrait de trois gamins de 12 ans, bouleversés par le décès du frère jumeau de l'un d'entre eux, le cinéaste continue d'explorer avec sensibilité l'univers de l'adolescence, "ce passage à la fois délicat, délicieux et malaisé". 

Les années suivantes sont principalement caractérisées par un détour côté télévision. Pour la chaîne HBO, Cuesta dirige quelques épisodes de la série originale Six feet Under, émouvante chronique d’une famille à la tête d’une société de pompes funèbres. Plus tard, c’est la chaîne Showtime qui le sollicite, pour des fictions à succès comme Dexter ou Homeland, dont il réalise également de nombreux épisodes.

En 2011, le cinéaste revient sur les écrans de cinéma avec le drame musical Roadie, qu’il coécrit avec son frère Gerald et huit ans après 12 and Holding, en 2014, il offre le rôle principal de Kill the Messenger, biopic du journaliste d'investigation Gary Webb, à Jeremy Renner.