Его мать, Мария Михайловна, отличающаяся властным характером, происходила из старинного купеческого рода. Отец Миши, Василий Иванович, человек прямого и независимого характера, занимался торговлей мануфактурой и галантереей. Однако, больше, чем торговлей, он интересовался историей и литературой. И любил бродить с сыном по березовым рощам. Михаил учился в мужской гимназии. К художественным способностям сына отец проявлял живой интерес. Отправил его в Москву, где он сперва поступил в реальное училище Воскресенского, а через год стал студентом училища живописи, ваяния и зодчества. Среди его училищных работ стоит отметить бытовые картины: «В снежки», «В ожидании поезда», «Домашний арест» и «Экзамен в сельской школе». В училище он пробыл три года. В 1881 году переехал в Петербург, где поступил в Академию художеств. Но академия разочаровала молодого художника, и в 1882 году он вернулся в Москву. Вновь поступил в Училище живописи, учился у Саврасова. Лето провёл в Уфе, где познакомился с Марией Мартыновской, своей будущей женой. Обвенчался с ней, вопреки воле матери… Вернувшись в училище, писал жанровые картины на исторические темы - «Приём послов» (1884), «Смерть Лжедмитрия» (1885), «Шутовской кафтан. Боярин Дружина Андреевич Морозов перед Иваном Грозным» (1885). В 1885 году получил звание свободного художника. К концу 1880-х годов стал известен как автор картин на исторические темы допетровской эпохи. Его работы этого периода - «Встреча царя Алексея Михайловича с Марией Ильиничной Милославской», «Поход московского государя пешком на богомолье в XVII в.», «Свадебный поезд на Москве в XVII в.» … За картину «До государя челобитчики» был удостоен звания классного художника и Большой серебряной медали.
В мае 1886 года у Нестеровых родилась дочь Ольга. При родах его жена скончалась. Ее образ прослеживался в последующих работах художника – в вариантах «Царевны» и картине «Христова невеста» запечатлены черты лица покойной жены… В этот период он пишет пейзажи – тонкие белые березки, мягкая зелень весеннего или осеннего леса, бесконечные просторы, открывающиеся с холмистых берегов реки Белой… Первой работой, свидетельствующей о самобытности нестеровского таланта, была «Пустынник». Выставленная на Передвижной выставке, картина поставила молодого Нестерова в ряд выдающихся живописцев того времени. На картине изображён старец-монах, удалившийся от мирской суеты и нашедший покой в тишине осенней природы.
Ещё до открытия выставки «Пустынник» был приобретён Павлом Третьяковым для галереи. На полученные за картину деньги Нестеров в 1889 году отправился в первое заграничное путешествие. По возвращению в Россию он написал картину «Видение отроку Варфоломею», взятый из «Жития преподобного Сергия».
Образ Сергия Радонежского был для художника воплощением нравственного идеала. Картина, вызвавшая противоречивые мнения критиков, стала сенсацией XVIII Передвижной выставки и была также приобретена Третьяковым. Она стала первой из цикла работ, посвящённых Сергию Радонежскому. За полвека Нестеров создал 15 больших произведений ему посвящённых… В 1895 году он написал картину «Под благовест» (нестеровское название «Монахи»). На ней изображены два монаха, первый — молодой и высокий, и второй — сгорбленный старец… В 1901 году Нестеров отправился в Соловецкий монастырь. Там он создал полотна «Молчание», «Тихая жизнь», «Обитель Соловецкая», «Мечтатели», «Соловки». В своих монастырских полотнах Нестеров не изображал ни архиереев, ни служений с их пышными обрядами. У него был замысел создать картину «Святая Русь». Весной 1902 года Нестеров решился выставить на публичное обозрение «вчерне» законченную работу «Святой Руси».
На выставке он познакомился с Екатериной Васильевой, пришедшей посмотреть его картину. Спустя несколько месяцев она стала его женой… На Нестерова сильное впечатление произвели романы Мельникова-Печерского «В лесах» и «На горах»), посвящённые жизни заволжских старообрядцев. Он написал цикл картин. Среди произведений этого цикла выделяется картина «Великий постриг».
За эту работу художник был удостоен звания академика живописи…
Революцию 1917 года Нестеров встретил в 55-лентнем возрасте. Переехал с семьей в Армавир. Там заболел и долгое время не был в состоянии работать. В Москву вернулся в 1920 году. В эти годы он, в основном, пишет портреты. В 1941 году за портрет советского учёного, физиолога, создателя науки о высшей нервной деятельности Ивана Петровича Павлова, Нестерову была присуждена Сталинская премия, одна из первых премий в области искусства. Последней работой Нестерова была картина «Осень в деревне» (1942), написанная под впечатлением пушкинских строк: «Уж небо осенью дышало…».
Нестеров скончался от инсульта на 81-м году жизни в Москве в Боткинской больнице в 1942 году. Похоронен на Новодевичьем кладбище…