Михаил Фёдорович Владимирский родился в семье священника, протоиерея Троицкой церкви в Арзамасе, Ф. И. Владимирского. В 1894-1895 годах он учился на медицинском факультете Томского университета, затем в 1895-1896 и 1898-1899 годах - на медицинском факультете Московского университета, в 1900-1901 годах - в Гейдельбергском университете. В 1902 году он окончил медицинский факультет Берлинского университета, а в 1903 году получил диплом Казанского университета.

С революционным движением и марксизмом Михаил Фёдорович познакомился в начале 1890-х годов в нижегородских марксистских кружках. С 1895 года, будучи студентом Московского университета, он начал работать пропагандистом и организатором рабочих кружков. После арестов 1894 и 1895 годов почти всего руководящего состава "Рабочего союза" уцелевшие марксистские группы в конце 1895 года объединились вокруг марксистского кружка, руководимого Михаилом Фёдоровичем. В 1896 году он был арестован и выслан на родину за участие в создании Московского "Рабочего союза".

В 1898-1899 годах Михаил Фёдорович был членом Московского комитета РСДРП. Весной 1899 года он снова был выслан из Москвы, а затем уехал в Швейцарию, где продолжил медицинское образование. Он примкнул к группе "Освобождение труда" Плеханова и сотрудничал в заграничной организации "Искры". В 1903-1905 годах Михаил Фёдорович работал земским врачом в Нижнем Новгороде и был активным участником нижегородской организации РСДРП.

После II съезда РСДРП в 1903 году Михаил Фёдорович стал большевиком. С осени 1905 года он был в Москве, где был членом МК РСДРП и Московского Совета рабочих депутатов, а также активным участником Декабрьского вооружённого восстания в Москве. В 1906 году он был арестован, но был выпущен под залог и уехал во Францию. С 1907 года Михаил Фёдорович находился в эмиграции, где входил в парижскую группу большевиков и Комитет заграничных организаций.

После Февральской революции 1917 года Михаил Фёдорович вернулся в Россию и был направлен ЦК РСДРП(б) в Москву. Он стал членом Исполнительного бюро МК РСДРП(б) и был назначен в состав "партийной пятёрки" по руководству Октябрьским вооружённым восстанием. Михаил Фёдорович был участником Октябрьской революции 1917 года, членом Московского ВРК, а затем членом президиума Моссовета. С ноября 1917 по март 1918 года он возглавлял Совет районных дум Москвы.

В 1918-1921 годах Михаил Фёдорович был членом Президиума ВЦИК. С 16 по 30 марта 1919 года, после смерти Я. М. Свердлова, он исполнял обязанности Председателя ВЦИК. В 1919 году он был членом Оргбюро ЦК, а с апреля 1919 года - заместителем наркома внутренних дел РСФСР. С 1922 года Михаил Фёдорович работал на Украине, где был заместителем Председателя СНК и председателем Госплана УССР. В 1924-1925 годах он был секретарём ЦК КП(б) Украины, а в 1925-1926 годах - председателем ЦКК КП(б)У и наркомом РКИ Украины.

В 1926-1927 годах Михаил Фёдорович был заместителем председателя Госплана СССР. С 1927 года он был председателем Союза союзов сельскохозяйственной кооперации, а также председателем Центральной ревизионной комиссии ВКП(б), на котором он оставался бессменно почти четверть века, до конца своей жизни. В 1930-1934 годах Михаил Фёдорович был народным комиссаром здравоохранения РСФСР. В 1934 году он полностью перешёл на партийную работу, став сотрудником аппарата МК ВКП(б) и ЦК ВКП(б).

Михаил Фёдорович Владимирский скончался в 1951 году и был кремирован. Его прах был помещён в урне в Кремлёвской стене на Красной площади в Москве. За свою деятельность он был награждён двумя орденами Ленина. Его имя было присвоено Московскому областному научно-исследовательскому клиническому институту.