Hän syntyi keskiluokkaiseen juutalaiseen perheeseen Siperiassa, minne hänen isoisänsä oli asettunut sotilasuran jälkeen. 12-vuotiaana hän sai rakentamastaan liidokista ensimmäisen palkinnon pienoismallikilpailussa. Vuonna 1926 hän alkoi opiskella Tomskin Siperian polyteknisessä instituutissa. Hän siirtyi sieltä opiskelemaan lentotekniikkaa Donin polytekniseen instituuttiin Novotšerkasskiin. Hän avioitui opiskelijatoverinsa kanssa ja he saivat neljä tytärtä ja pojan.
Mil toimi Keskusaerodynaamisessa instituutissa TsAGIssa, Žukovskin kaupungissa Moskovan lähellä, vuodesta 1931 alkaen. Hän taisteli toisessa maailmansodassa, mutta vuonna 1943 hänet kutsuttiin takaisin lentotekniikan pariin. Hän teki väitöskirjan vuonna 1945. Vuonna 1947 hän oli TsAGIn helikopterilaboratorion johdossa.
1930-luvulla hän toimi Kamovin pääsuunnittelijana. Vuonna 1947 hän sai oman suunnittelutoimiston, joka sai nimen Mil. Mihail Mil suunnitteli muun muassa seuraavat helikopterit:
