Михай родился 25 октября 1921 года в династической семье германских императоров – Гогенцоллернов. Его дед Фердинанд 1 – правитель Румынии с 1914 года лишил своего старшего сына Кароля титула наследника, когда тот вместе со своей любовницей уехал за границу в 1925 году. Наследником был назначен четырёхлетний Михай – сын Кароля и внук Фердинанда 1. После смерти деда в 1927 году шестилетний принц стал королём Румынии. Страной управляли регенты.
В 1930 году, недовольный регентством, в страну вернулся Кароль и сместил своего сына. Его правление превратилось в неэфективную диктатуру, страна теряла территории – Бессарабия был присоединена к Советскому Союзу, а часть Трансильвании – к Венгрии. В 1940 году маршал Антонеску совершил военный переворот, взял власть в свои руки. Посадив на трон 19-летнего Михая, он сделал его своей марионеткой. Под фактическим руководством Антонеску Румыния стала союзницей фашистской Германии.
В 1944 году повзрослевший король проанализировал ход войны и при поддержке антифашистов взял власть в свои руки. Прежде всего он отдал приказ арестовать Антонеску. Затем объявил войну Германии. После этого румынская армия воевала уже на стороне антигитлеровской коалиции, за что Михай I был награждён в 1945 году орденом Победы. Официальная формулировка наградного листа : «За мужественный акт решительного поворота политики Румынии в сторону разрыва с гитлеровской Германией и союза с Объединёнными Нациями в момент, когда ещё не определилось ясно поражение Германии». Он стал самым молодым кавалером этого ордена и третим иностранцем после американского генерала Дуайта Эйзенхауэра и британского фельдмаршала Бернарда Монтгомери. Вывод Румынии из лагеря союзников Германии заметно ускорил разгром гитлеровской коалиции.
В марте 1945 года при поддержке Москвы у власти в Румынии оказалось народно-демократическое правительство. Два года страна была чем-то вроде социалистической монархии. В 1947 году коммунисты монархию отменили. Молодой король отправился в эмиграцию в Швейцарию.
В 1948 году он женился на принцессе Анне Бурбон-Пармской. От этого брака родилось пять дочерей. В 1997 году Михай отменил саллический закон, согласно которому престол наследуется по нисходящей непрерываной мужской линии, и назначил своей наследницей старшую дочь – принцесу Маргариту.
После падения социалистического режима король регулярно посещает Румынию, но постоянно живёт в Швейцарии, имеет гражданства обеих стран. Права на королевские поместья и замки он уступил правительству за 30 миллионов евро.
В 2010 году король Михай посетил парад победы в Москве, являясь единственным на тот момент живущим верховным главнокомандующим вооружёнными силами государства во Второй Мировой войне и последним живым кавалером ордена Победы, который, если верить слухам, он продал семейству Рокфеллеров за 1 миллион долларов (47 г. платины, рубинов на 25 карат, бриллиантов на 16 карат).