Né à Chicago, Michael Peña débute sa carrière d'acteur en 1994, mais c'est lorsqu'il déménage à Los Angeles qu'il enchaîne les petits rôles dans des films tels que My Fellow Americans (1996) ou Boogie Boy (1998). L'année suivante, il joue dans la série Felicity et retrouve un rôle secondaire au cinéma dans 60 secondes chrono (2000). En 2001, il donne la réplique à Orlando Bloom dans The Calcium Kid, puis à Ryan Gosling et à Kevin Spacey dans The United States of Leland (2003).

Son rôle dans Collision (2004), le drame choral de Paul Haggis, lui permet d'être nominé pour de nombreux prix. C'est une bonne année pour Michael Peña puisque Clint Eastwood le fait également tourner dans le drame Million Dollar Baby. Il fait alors un détour par la télévision avec son personnage de détective dans la série The Shield avant d'être plongé dans le désert mexicain par Alejandro González Inárritu dans Babel (2006). Il est ensuite à l'affiche de World Trade Center d'Oliver Stone, où il retrouve Nicolas Cage. Il y interprète un policier pris dans les décombres des tours jumelles le 11 septembre 2001.

Dans Lions et agneaux (2007) de Robert Redford, Peña se retrouve confronté aux fantômes de la Guerre d'Afghanistan. Mais l'acteur s'essaye aussi à la comédie avec ses rôles dans Observe & Report (2009) aux côtés de Seth Rogen, et dans Le Casse de Central Park. Il est ensuite appelé à la barre pour La Défense Lincoln (2010), avant de revêtir à nouveau l'uniforme pour combattre des aliens dans World Invasion : Battle Los Angeles, et pour faire respecter la loi dans le violent End of Watch (2012).

Par la suite, Michael Peña confirme sa capacité à s'immiscer dans le cinéma de genre puisqu'il est à l'affiche de deux films au casting 4 étoiles traitant de l'univers de la mafia. Le premier, Gangster Squad, où il côtoie notamment les très à la mode Ryan Gosling et Josh Brolin. Et le second, American Bluff porté par Christian Bale et Bradley Cooper, plébiscité aussi bien par la critique que le public. L'acteur combat ensuite en compagnie de Brad Pitt dans Fury, une plongée au coeur d'une division blindée américaine lors des derniers jours de la Seconde Guerre mondiale. Pour l'occasion, il retrouve le metteur en scène David Ayer.

En 2015, Michael Peña fait partie de l'aventure Ant Man, la nouvelle création des studios Marvel.