Né Michael Andrew Fox, fils de l'actrice Phyllis Fox, il a adopté l'initiale « J » dans son nom de scène en hommage au comédien Michael J. Pollard et pour éviter toute confusion avec son homonyme, l'acteur britannique Michael Fox. Lorsque son père était membre des Forces armées canadiennes, sa famille dut déménager très souvent allant de ville en ville (dont North Bay) jusqu'à s'installer finalement à Burnaby, une banlieue de Vancouver, après que son père eut pris sa retraite en 1971. Il a trois soeurs et un frère. Au départ passionné de hockey sur glace, il s'intéresse durant son adolescence à l'écriture et joue de la guitare dans quelques groupes de rock, mais c'est son envie de devenir acteur qui le poursuit réellement.
Après une apparition à 15 ans dans la série Leo and me, Fox rejoint ensuite Los Angeles à 18 ans pour commencer sa carrière d'acteur. Après quelques petits rôles, il débute à la télévision américaine dans Letters From Frank en tant que Michael Fox. Il obtient son premier rôle au cinéma dans le film Disney Midnight Madness.
Sa carrière s'envole vraiment en 1982 avec son rôle de Alex P. Keaton dans Sacrée Famille, une série qui devient un immense succès et qui se poursuivra jusqu'en 1989. Son travail est récompensé par 3 Emmy Awards et un Golden Globe. Durant ces années fastes, sa carrière au cinéma démarre avec ce qui reste son plus grand rôle : celui de Marty McFly dans le film Retour vers le futur en 1985, dont l'immense succès lui fit connaître deux suites en 1989 et 1990. Il se marie le 16 juillet 1988 avec l'actrice Tracy Pollan, qui tenait le rôle de sa première petite amie dans la série Sacrée Famille, et avec qui il aura quatre enfants. En 1990, il joue dans Outrages de
Brian de Palma qui le fait quitter ses rôles d'éternels adolescents, tributaires de sa petite taille (1,63 m), pour basculer dans le drame.
Sur le tournage de Doc Hollywood en 1991, il s'aperçoit qu'il a des tremblements incontrôlés bientôt diagnostiqués comme des symptômes de la maladie de Parkinson. Dès lors, sa carrière s'essouffle un peu et il se contente de nombreux petits rôles dans des films sans grand succès. Mais il est relancé en 1995 par Le Président et Miss Wade de Rob Reiner, puis Fantômes contre fantômes de Peter Jackson et Mars Attacks! de Tim Burton en 1996.
En décembre 1998, il rend sa maladie publique dans le très célèbre magazine américain People. Quelques mois plus tard, il annonce son prochain départ de la série à succès Spin City, une satire politique dans laquelle il incarnait depuis 1996 le rôle du secrétaire général du gaffeur maire de New York. Pour faire la transition, il demande à Heather Locklear, dont la série Melrose Place s'arrête, de le rejoindre dans la sitcom. En 2000, il a fondé officiellement la « Michael J. Fox Foundation for Parkinson's research » la veille de la diffusion du dernier épisode de la série Spin City et a organisé une conférence de presse au Capitole de Washington. Fox qui a récolté 90 millions de dollars depuis 2000, espère que les chercheurs pourront trouver un traitement d'ici 2010. Le 28 février 2010, il apparait aux cérémonies de clôture des Jeux olympiques de Vancouver où, devant des millions de personnes, affecté par sa maladie, il exprime sa fierté d'être canadien.
Il continue néanmoins à travailler : il est la voix originale du héros du film d'animation Stuart Little et le personnage de Milo Thatch toujours dans un film d'animation Atlantide, l'empire perdu. Il a récemment produit un pilote pour une série intitulée Hench at Home, sans qu'il y ait été donné suite. En 2003, il fit une apparition remarquée dans la série télévisée Scrubs : Fox y tenait le rôle de Kevin Casey, un médecin/chirurgien souffrant de trouble obsessionnel compulsif, le temps de deux épisodes de la saison 3. Il est aujourd'hui entièrement investi dans la lutte contre la maladie de Parkinson au sein de la fondation qu'il a créée et qui porte son nom. Il espère réunir d'importants financements permettant à la recherche d'avancer et de trouver un remède avant 2010. Il a d'ailleurs écrit une autobiographie, Lucky Man, sur son expérience face à cette maladie. En 2009, il devait retrouver Robert Zemeckis et Christopher Lloyd pour Le Drôle de Noël de Scrooge mais il est finalement absent du générique. En 2009, il figure dans la série Rescue Me : Les Héros du 11 septembre, puis dans The Good Wife en 2010.
Connu pour son travail d'acteur, mais aussi pour sa bataille contre la maladie de Parkinson, Michael J. Fox a été fait officier de l'Ordre du Canada.