Князь Михаил родился уже после смерти своего отца Ярослава Ярославича.

Летопись за 1285 год сообщает: «Того же лета заложен бысть на Твери церковь каменна благоверным князем Михаилом Ярославичем и матерью его княгинею Оксиньею, и преподобным Симеоном». Это был первый на Руси после монгольского нашествия Спасо-Преображенский собор.

В 1293 году Дюденева рать прошла мимо Твери, но город разорил баскак Тохта-Тимур (Тахтамир). Михаил перешёл на сторону ростовско-ярославских князей, бывших союзниками Андрея Александровича в его борьбе против старшего брата Дмитрия.

В этот же период Михаил женился на дочери ростовского князя Дмитрия Борисовича, Анне (впоследствии святой Анне Кашинской), таким образом, по мнению некоторых историков, получив права на Кашинский удел. Однако по версии С. В. Богданова следует, что Кашин уже входил в состав Тверского княжества и «поэтому никаким приданым Анны Дмитриевны, по-видимому, этот город быть не мог». О том, что Кашин находился в составе Тверского княжества, сообщает В. А. Кучкин, ссылаясь на Рогожский летописец. В частности, в летописце говорится, что ростовский князь Дмитрий Борисович приступил к Кашину в 1289 году и в течение девяти дней разорял окрестности, а также сжёг Кснятин, то есть до женитьбы Михаила на Анне в 1294 году.

Дмитрий Александрович перед смертью (1294 год) какое-то время жил в Твери. В 1295 году Михаил заключил союз с Новгородом «или от татарина, или от кого-нибудь другого».

В 1300 году участвовал в походе русских на Ландскрону, но город был взят до прихода войск Михаила Ярославича и тверское войско вернулось домой.

В 1301 году участвовал в Дмитровском съезде русских князей.

Дата восхождения на владимирский великокняжеский престол в различных источниках трактуется либо как 1304, либо 1305 год. Это связано с тем, что умерший в 1304 году Великий князь владимирский Андрей Александрович завещал великое княжение Михаилу, но московский князь Юрий Данилович также претендовал на владимирский престол. Для разрешения спора Михаил и Юрий поехали на суд к золотоордынскому хану. В результате ханскую грамоту в 1305 получил Михаил и, приехав во Владимир, был произведён митрополитом на престол Великого княжения.

В переписке между Михаилом и константинопольским патриархом Нифонтом I (состоявшейся в 1310—1314 годах), использовано обращение великий князь всея Руси — на настоящий момент, это первое известное использование такого обращения в адрес правителей Руси. Предполагается, что титул «всея Руси» был принят в 1305 году, по аналогии с именованием православных иерархов.

Гроб с телом князя был перевезён в Тверь только спустя год, после заключения договора между Юрием и сыном Михаила Ярославича Александром. Князь Михаил Тверской был похоронен в Спасо-Преображенском соборе «посторонь преподобнаго епископа Симеона». Впервые мощи Михаила Ярославича были обретены около 1411 года; затем, из-за случавшихся пожаров, «опять опущены в землю, из предосторожности в двойном гробе, деревянном и каменном, в котором и почивали до 1635 года, и только тогда, с соизволения царя Михаила Фёдоровича, поставлены вновь открыто, 2 ноября этого года».