Родился в Санкт-Петербурге. Сын дипломата графа Семена Романовича Воронцова и Екатерины Алексеевны, урожденной Сенявиной. Детство и юность провел в Англии, где получил блестящее образование.
С 1803 года служил в войсках на Кавказе, затем участвовал в Прусском походе, в войне с Турцией 1810-1811 годов. В Отечественной войне 1812 года командовал дивизией. В сражении под Бородино был тяжело ранен и отправлен на лечение в свое имение во Владимирской губернии. Воронцов взял с собой на излечение около 150 человек раненых офицеров и рядовых своей дивизии.
В 1813-1815 годах продолжал участвовать в военных кампаниях, в 1815-1818 годах командовал русским оккупационным корпусом во Франции.
С 1823 года Новороссийский генерал-губернатор и наместник Бессарабской области. За время своего губернаторства ввел много новшеств, касающихся развития промышленности, сельского хозяйства, торговли и пароходства, просвещения. Передал в дар городу Одессе свою огромную библиотеку.
Открыл множество учебных заведений, как гимназий, так и институтов.
В войне с Турцией 1828-1829 годов Воронцов вновь принял участие как непосредственно в военных действиях, так и в снабжении русской армии провиантом.
В 1844 году Воронцову была вверена должность наместника Кавказа с неограниченными полномочиями. В результате его умелых действий к России была присоединена значительная часть Кавказских территорий. Мирной гражданской деятельностью граф стремился устранить племенную вражду и укрепить культурные связи кавказцев с Россией.
В 1845 году М.С. Воронцов был возведен в княжеское достоинство, а в 1852 году – ему пожалован титул светлейшего. Кавалер всех российских орденов.
Лев Николаевич Толстой писал о князе: «Воронцов Михаил Семенович, воспитанный в Англии, сын русского посла среди русских высших чиновников был человеком редкого в то время европейского образования, честолюбивый, мягкий и ласковый в обращении с низшими и тонкий придворный в отношении с высшими. Он не принимал жизни без власти и покорности».
Чета Воронцовых была хорошо знакома с А.С. Пушкиным, который служил под началом Воронцова в Одессе во время Южной ссылки.
Был женат на Елизавете Ксаверьевне Воронцовой. Имел детей: Александру и Михаила, умерших в раннем детстве; Софию – замужем за графом Андреем Павловичем Шуваловым; Семена.
В 1853 году князь в связи с ухудшением здоровья вышел в отставку, переехал в любимую Одессу и вскоре умер. Похоронен в Преображенском соборе Одессы, куда позже была погребена и его жена.
