Герой Социалистического Труда (1966), доктор технических наук (1945), лауреат Ленинской премии (1958) и Государственной премии СССР (1968).
Родился 22 (9 — ст.ст.) ноября 1909 года в городе Иркутск в семье служащих. Еврей. С юных лет увлекся авиамоделированием. Участвовал в конкурсах, где его авиамодели занимали призовые места.
В 1925 году после окончания коммерческого училища поступил в Сибирский технологический институт (ныне — Национальный исследовательский университет ресурсоэффективных технологий «ТПУ») в Томске. Принимал активное участие в работе планерной секции. С товарищами построил легкий одноместный планер и сделал на нём первый полёт.
В 1927 году из-за происхождения и доносов был вынужден оставить учёбу. Переехал в Новосибирск. Около года был рабочим кожевенной лаборатории.
В 1928 году поступил на механический факультет Донского политехнического института в Новочеркасске (ныне — Южно-Российский Государственный Технический Университет (Новочеркасский Политехнический Институт) на авиационную специальность. Все своё свободное время посвящал авиамоделизму. В 1929 году стал начальником бригады аэродинамиков в институте.
В 1931 году после окончания института по рекомендации Н.И.Камова принят на работу в Центральный аэрогидродинамический институт (ЦАГИ) имени Н.Е.Жуковского. Работал в должности инженера, начальника бригады аэродинамики и экспериментальных расчётов отдела особых конструкций. Участвовал в разработке автожиров А-7, А-12 и А-15.
В начале марта 1940 года — заместитель главного конструктора (Н.И.Камова) на заводе винтовых летательных аппаратов №290.
Осенью 1941 года командируется в Первую корректировочную эскадрилью автожиров. В качестве инженера этой эскадрильи он принимает участие в боях на Западном фронте, где с автожиров А-7 велась корректировка огня тяжелой артиллерии.
В период с 1941 по 1943 год находился в эвакуации в посёлке Билимбай (городской округ Первоуральск Свердловской области). Занимался вопросами усовершенствования боевых самолётов, улучшением их устойчивости и управляемости. Для проведения испытаний выезжал на фронтовые аэродромы. Во время испытательных полётов лично находился в самолёте. Член ВКП(б) / КПСС с 1943 года.
В 1943 году вернулся вместе с семьёй в Москву. В период с 1943 по 1947 годы занимал должность научного сотрудника, начальника лаборатории № 5 в ЦАГИ. Занимался вопросами устойчивости самолётов, штопорной и вертолётной тематикой, усовершенствованием боевых свойств самолётов для более точного поражения наземных целей. Модернизировал отечественные и самолёты, поставляемые союзниками. Защитил диссертацию на соискание ученой степени кандидата технических наук. Руководил проектированием и созданием геликоптера ГМ-1 (прототип первого отечественного вертолета Ми-1). Работы проходили очень тяжело. Геликоптер потерпел ряд аварий, а в одной из них погиб лётчик-испытатель. Тем не менее, М.Л.Миль нашёл в себе силы продолжить работу. Недостатки были устранены, воплощены в жизнь оригинальные идеи, которые используются в вертолётостроении до сих пор.
С 1947 года — главный конструктор опытного КБ по вертолётостроению. В 1951 году под его руководством был создан первый советский серийный 3-местный вертолёт Ми-1. С 1964 года — Генеральный конструктор опытного КБ по вертолётостроению.
Его коллективом были созданы вертолёты Ми-2, Ми-4 (удостоен золотой медали Всемирной выставки в Брюсселе в 1958 году), Ми-6, Ми-8, Ми-10, В-12 (самый большой в мире транспортный вертолёт), Ми-14, Ми-24 и другие. На вертолётах его конструкции установлено 60 мировых рекордов.
В 1962 году М.Л.Миль награждён призом «За достижения в области вертолётного искусства» знаменитого авиаконструктора И.В.Сикорского за достижение самым грузоподъёмным в мире вертолётом Ми-6 рекорда скорости.
Указом Президиума Верховного Совета СССР от 22 июля 1966 года за выдающиеся заслуги в развитии советской авиации М.Л.Милю присвоено звание Героя Социалистического Труда с вручением ордена Ленина и золотой медали «Серп и Молот». Разработал фундаментальные основы аэродинамики винтокрылых аппаратов. Был очень одарённым человеком. Блестяще разговаривал на нескольких языках. Увлекался музыкой и живописью. В последние годы жизни отдавал много сил и энергии на доработку и проведение испытаний вертолётов для армии, в частности Ми-24, первый полёт которого состоялся осенью 1969 года.
Умер 31 января 1970 года в Москве после тяжёлой продолжительной болезни. Похоронен в Одинцовском районе Московской области на кладбище посёлка Юдино.
Лауреат Ленинской (1958) и Государственной (1968) премий, доктор технических наук (1945), профессор (1967).
Награждён 3 орденами Ленина (12.07.1957, 22.07.1966, 21.11.1969), орденами Отечественной войны 2-й степени (16.09.1945), Трудового Красного Знамени (21.11.1959), Красной Звезды (06.11.1944), медалями.
Именем М.Л.Миля назван Московский вертолётный завод, улицы в Москве и Казани, московская средняя школа № 1738.
В 2009 году в Москве на пересечении улицы Авиаконструктора Миля и Жулебинского бульвара был установлен бюст М.Л.Миля. В Москве на домах, в которых он жил и работал, а также в городе Жуковский Московской области на территории ЦАГИ установлены мемориальные доски.