נולד בשם מוריס ג'וזף מיקלווייט בדרום לונדון, גדל בקמברוול ובתקופת מלחמת העולם השנייה פונה לאזור נורפוק. כשהתחיל בקריירת המשחק בחר לעצמו את שם הבמה "מייקל סקוט". בשיחה עם הסוכן שלו התברר שהוא צריך לשנות את השם הנבחר כיוון שהיה כבר שחקן אחר בשם זה. הוא היה בכיכר לסטר בלונדון וכשהביט סביבו ראה את כרזת הסרט "המרד על הקיין" והחליט לשנות את שמו ל"מייקל קיין".
אחרי שהופיע במספר סרטים בתפקידי משנה, משך את תשומת לב הקהל בהופעתו בסרט "זולו" (1964) כקצין צבא בריטי מהמעמד הגבוה. בניגוד למבטא האנגלי התקין והמלומד בסרט זה, קיין נודע אחר כך במבטא של אזור מגוריו, הדיבור הקוקני של בני מעמד הפועלים של מייקל קיין והמבטא הליברפולי של הביטלס היה כמשב רוח מרענן. זמן קצר לאחר "זולו" שיחק קיין בתפקידים הידועים ביותר שלו, המרגל "הארי פאלמר" בסרט "תיק איפקרס" (1965), ובתפקיד רודף-השמלות בסרט "אלפי" (1966). הוא גילם את דמותו של פאלמר בשני סרטים נוספים. בסוף שנות השישים הפך שוב לסמל בסרט "הג'וב האיטלקי", ובתפקידו כטייס קרב בחיל האוויר המלכותי בסרט עטור הכוכבים "הקרב על בריטניה" כמפקד טייסת קנפילד.
שנות ה-70 היו שנים של עליות ומורדות בקריירה הקולנועית של קיין. הוא החל בסרט "במעגל הנקמה" (Get Carter) בשנת 1971, סרט גנגסטרים בריטי משובח. לצד הצלחות בסרטים כמו "משחקי בילוש" (1972), ו"האיש שרצה להיות מלך" היו כישלונות כמו "נחיל" (1978) ו-"Beyond the Poseidon Adventure" מ-1979. ב-1976 שיחק בסרט "נוכלים בחוג הנוצץ" לצידם של אליוט גולד וג'יימס קאן.
בשנות ה-80 וה-90 הופיע לסירוגין בתפקידים שזכו לשבחים כמו ב"לחנך את ריטה" (1983 – קיבל את פרס באפט"א לשחקן הטוב ביותר בתפקיד ראשי) ו"מונה ליזה" (1986), ולעומתם בתפקידים מסחריים ובסרטים כושלים, כגון "מלתעות 4" (1987) ו"על קרקע בוערת" (1994). קיין אמר על סרטים אלה "לא ראיתי את הסרט, שמעתי שהוא גרוע. אבל ראיתי את הבית שנקנה בזכותו והוא נפלא". בשלב זה המוניטין שלו כאייקון קולנועי היה מובטח, ובעקבות סרטים כמו "קול קטן" (1998), "סיבוב אחרון" (2001) ו"האמריקאי השקט" (2002) הושבה לו גם הערכת המבקרים. אחדים מסרטיו הקלאסיים הופקו מחדש בפנייה לטעמו של הקהל הצעיר. ב-2005 וב-2008 הופיע קיין בסרטים "באטמן מתחיל" ו"האביר האפל" בתפקיד המשרת האישי אלפרד פניוורת' וכן ב"עלייתו של האביר האפל" (2012). ב-2006 גילם את דמותו של מהנדס הקסמים ג'ון קאטר בסרט "יוקרה".
קיין היה מועמד לפרס אוסקר שש פעמים, וזכה פעמיים בקטגוריית שחקן המשנה, עבור תפקידו ב"חנה ואחיותיה" ב-1986, ובשנת 1999 עבור "תקנות בית השיכר". ב-1993 זכה בתואר "Commander of the British Empire", ובשנת 2000 קיבל תואר אבירות והוא מכונה סר מוריס מיקלווייט. בניגוד לשחקנים אחרים קיין אינו משתמש בשם הבמה שלו בחייו האישיים.
שירה של להקת מאדנס, my name is Michael Caine (אנ'), נכתב בהתייחס לקיין, שאף תרם הקלטות של קולו לשיר.[2]
קיין היה נשוי פעמיים, אשתו הראשונה הייתה השחקנית פטרישה היינס לה היה נשוי מ-1955 עד 1958, להם בת בשם דומיניק. משנת 1973 הוא נשוי לשחקנית והדוגמנית שאקירה בקש, ולהם בת בשם נטאשה.