Михаил Арнаудов е роден в град Русе на 5 октомври 1878 г. Баща му Петър Сибинов Арнаудов произлиза от Тетово, Македония. Премества се да живее и работи в Русе като търговец на жито. Оженва се за Друмка Панова, дъщеря на съдружника му. Тя умира, когато Михаил е на 8 години. "Чувствах тогава, като дете, и по-късно през младините си, та дори и сега, че с ранното загубване на майка ми аз съм изгубил и правото над душата, която бих обичал най-много и най-силно и която би оказала благотворно влияние върху хода на живота ми. И досега усещам над себе си покровителството на майчиния дух и това е сякаш компенсация, че бях лишен рано от майчина обич и грижа."
Бащата се оженва втори път. Мащехата проявява нежни грижи към четирите заварени деца. От втория брак се раждат още три. Михаил Арнаудов особено се гордее с двамата си братя Димитър и Илия. Димитър е чиновник в градската община на Русе, по-късно главен секретар и неин фактически кмет. В продължение на 50 години той е общински чиновник без да е сменян от никоя политическа партия. По-малкият брат Илия е оперен режисьор, живял 10 години във Виена, един от първите музикални режисьори в България, пръв постановчик на Вагнерови творби. "Бях много кротък, въплъщение на кротост, и сам се чудя как след тази кротост достигнах много по-късно до смелост и твърдост, които не ме напуснаха вече никога." – спомня си Михаил Арнаудов.
Завършва престижната Русенска мъжка гимназия "Княз Борис", където учител по български език и литература е Никола Бобчев. Той изиграва изключителна роля за формиране личността на М. Арнаудов и събужда у него страстта към литературознанието, фолклора и научното дирене. Директор по това време е известният етнограф Димитър Маринов. "Заживях твърде рано, още на ученическата скамейка, с чувството, твърде смътно, че единственото, което бих могъл да схвана като моя жизнена задача, беше потъването в света на мисли, чувства и преживявания, свързани с литературата и историята".
През месец ноември 1895 г. в книжка трета на русенското списание за ученици и младежи "Извор" е отпечатана матуритетната работа на М. Арнаудов със заглавие "Обща характеристика на народната песен". Това е "неволният" научен дебют на ненавършилия още седемнадесет години младеж. Последният си по-обемист труд – тритомника "Вековно наследство. Българско народно поетическо творчество" – ученият завършва, когато е на деветдесет и осем години. Буди възхищение настойчивостта, с която Михаил Арнаудов съумява да бъде "самия себе си" през своя дълголетен живот, да остане верен на призванието си въпреки всички трудности и превратности на съдбата … Пред Искра Арнаудова ученият казва "Имах съзнание, когато бях на шестнадесет години, че ще стана литературовед."
През септември 1895 г. се записва във Висшето училище в София, специалност славянска филология. Слуша лекции при младите преподаватели Александър Теодоров-Балан, Любомир Милетич, Беню Цонев, Иван Шишманов, Марко Балабанов и др. Завършва блестящо. Иван Шишманов му предлага научна работа, нарича го свой "духовен син и продължител" и го насочва към Лайпцигския университет. Там (1898–1899г.) М. Арнаудов слуша лекции по народопсихология, староиндийски (санскрит) и литовски езици. През есента на 1899 г. се записва в Берлинския университет. Слуша лекции по индийска литература, индогерманско сравнително езикознание, руска и полска литература до 1900 г., когато се завръща за кратко в Русе. През 1901 г. е гимназиален учител в София. Публикува в сп."Мисъл" и попада в кръга на сътрудниците, сред елита на българските писатели. През 1903 г. заминава за Прага да положи докторски изпит по славянска филология, философия и индийска филология. Остава до януари 1905 г., защитавайки блестящо дисертацията си "Български народни приказки". Завръща се в България и става последователно гимназиален учител, поддиректор на Народната библиотека, доцент в Софийския университет. През март 1910 г. заминава за Париж, където по-голямата част от времето си прекарва в библиотеката на Сорбоната. В Париж заварва Яворов, сломен от мъка след смъртта на любимата си Мина Тодорова. Всеки ден заедно посещават гроба й. По това време Яворов пише пиесата "В полите на Витоша" и благодарение на подкрепата на Арнаудов успява да я завърши за няколко месеца. През октомври 1910 г. М. Арнаудов заминава за три месеца в Лондон - учи усилено английски език и посещава библиотеката на Британския музей. На 2 януари 1911 г. се връща в България и започва да чете лекции в Университета. Отново се пробужда и страстта му към фолклорните изследвания.
През 1922 г. е избран за председател на Писателския съюз и в продължение на 10 години защитава всеотдайно правата на българската интелигенция. През 1925 г. започва списването на сп."Българска мисъл", превърнало се, по думите на Людмил Стоянов, в "стожер на българската култура". През 1926 г. приема поста директор на Народния театър. През 1928 г. се завръща в Университета като професор. На 50 години той вече е дал на българската наука ценни изследвания в областта на фолклора, литературната наука и Българското възраждане. По-късно става ректор на Софийския университет, академик, председател на десетки обществени дружества и съюзи.
Михаил Арнаудов има три деца – Асен, Златка и Петър. Асен е бил икономист. Неговият син Михаил е инженер, а дъщерята Михаела е журналистика в ВВС и "Свободна Европа" с псевдоним Ани Арнолд. Дъщерята Златка е известната пианистка Златка Арнаудова. Нейната дъщеря Анна е музикантка, хор-майстор. Най-малкият син Петър е известен музикален педагог. Съпругата му Искра Арнаудова е била дългогодишен сътрудник на Михаил Арнаудов. Дъщеря им Олга е преподавател по лингвистика в университета в Отава, Канада. На 15 септември 1944 г. М. Арнаудов научава, че ще бъде съден от Народния съд и отива сам да се предаде. Съпругата му трудно преживява този факт и не след дълго умира. В продължение на две години той е в затвора и там работи усилено над изследванията си. Съкилийникът му в затвора Вергил Димов си спомня: "Той бе упорит, неумолим работник, четеше, пишеше, наведен над малката масичка с парче обикновен молив, скрито по джобовете му. Това опасно оръдие бе забранено в затворническата килия … От същата килия бе освободен през 1947 г. Един ден го повикаха на свиждане. Върна се развълнуван … Обясни ми, че го викал на свиждане председателят на писателския съюз Людмил Стоянов, съобщил му, чу има вече указ за помилването му …"
Ерудиран фолклорист, етнограф, литературен историк и теоретик, автор на трудове за наши и световноизвестни славянски и западноевропейски писатели, Михаил Арнаудов посвещава седем десетилетия на българския фолклор и Възраждане. Той е един от най-вдъхновените творци на българската култура. Хилядите страници са написани с перодръжка. Всяка сутрин към 9 часа започвал да пише, облечен в строг официален костюм.
"Работоспособност и жилавост на духа, на характера и неизкоренимата готовност с цената на всичко и въпреки всичко да остане в литературата. Дори при много доброто му познаване на чуждите литератури, той остава при българската, утвърждава нейните ценности.
Умира в София на 99 години и 5 месеца.
