На момент монгольского нашествия на чернигово-северские земли являлся великим князем Киевским, но был вынужден бежать в Венгрию вместе со своим сыном Ростиславом. Получил в кормление от Даниила Галицкого Луцк, впоследствии вернулся в опустошённый татарами Киев, где правил до 1243 года, когда во время его отъезда в Венгрию на свадьбу сына Ростислава Киев перешёл во владение Ярослава Всеволодовича Владимирского по ярлыку. После этого Михаил Всеволодович вернулся в Чернигов, где правил до момента, когда вместе с рядом других князей был вызван в Орду. Перед входом в шатёр Батыя монгольские жрецы повелели ему пройти через священный огонь и поклониться их идолам, на что Михаил, истинный христианин, ответствовал: «Я могу поклониться царю вашему, ибо небо вручило ему судьбу государств земных; но христианин не служит ни огню, ни глухим идолам». За отказ от поклонения по приказу Батыя князь был казнён; следом принял смерть за веру и его верный боярин Феодор. Гибели мучеников посвящено «Сказание о убиении в орде князя Михаила Черниговского и его боярина Феодора». Князя тайно похоронили верные ему приближённые, а затем его останки перенесли в Чернигов. После его смерти черниговский престол занял брат Михаила Андрей.
Практически одновременно (30 сентября) в Монголии предположительно был отравлен второй из трёх самых влиятельных русских князей — Ярослав Всеволодович Владимирский (почти годом ранее Даниил Галицкий при личном визите к Батыю признал зависимость от ханов).
Вскоре в Ростове был возведён в честь Михаила Черниговского деревянный храм, сгоревший от удара молнии в 1288 году