Михаил Васильевич Водопьянов родился 18 ноября (6 ноября по старому стилю) 1899 года в селе Студенка Липецкого уезда (ныне часть города Липецка) в крестьянской семье.
В 1919 году Водопьянов добровольцем вступил в Рабоче-крестьянскую Красную Армию, служил обозным в дивизионе воздушных кораблей, с 1920 года — помощник шофера, с 1921 года — шофер. Участвовал в гражданской войне.
После демобилизации в 1922 году приехал в Москву, работал два года шофером. После сокращения брался за любую работу.
С 1925 года Михаил Водопьянов работал авиационным мотористом, затем бортмехаником.
В 1928 году окончил летную школу "Добролета", в 1929 году – Московскую летно-техническую школу.
В качестве бортмеханика, а затем и летчика "Добролета" Водопьянов участвовал в экспедициях по борьбе с саранчой на Северном Кавказе и в Казахстане. В январе 1930 года первым открыл воздушную линию на остров Сахалин. С 1931 года работал на Центральном аэродроме в летном отряде газеты "Правда", доставлявшем газетные матрицы в крупнейшие города СССР. Потом летал на гражданских самолетах по дальним воздушным трассам Москва — Ленинград, Москва — Иркутск, на остров Сахалин, в Петропавловск-Камчатский.
Зимой 1933 года в испытательном перелете из Москвы до Петропавловска-Камчатского самолет Водопьянова разбился на озере Байкал, а он получил сотрясение мозга и множественные переломы.
В марте — апреле 1934 года Михаил Водопьянов участвовал в спасении экипажа ледокола "Челюскин", за что был удостоен звания Героя Советского Союза.
В 1936-1937 годах возглавлял полеты в Арктику, в том числе впервые в мире совершил посадку на Северном полюсе, доставив туда полярную экспедицию (СП-1).
В 1937 году Водопьянов был избран депутатом Верховного Совета СССР от Липецкого избирательного округа.
Участвовал в советско-финляндской войне 1939-1940 годов в должности командира тяжелого бомбардировщика ТБ-3. Совершил несколько боевых вылетов.
В начале Великой Отечественной войны Михаил Водопьянов командовал дальнебомбардировочной авиационной дивизией. Лично участвовал во втором налете на Берлин, в котором его самолет Пе-8 был подбит и совершил вынужденную посадку на территории, занятой противником.
Через линию фронта Водопьянов вернулся к своим. За большие потери был смещен с должности командира дивизии.
Михаил Водопьянов продолжал совершать боевые вылеты как командир корабля в составе 746-го авиационного полка дальнего действия и 25-го гвардейского тяжелого бомбардировочного авиационного полка, затем был в распоряжении командующего 18-й воздушной армией.
В 1943 году ему было присвоено воинское звание генерал-майора авиации. С 1946 года – в отставке.
В 1948-1950 годах Водопьянов участвовал в военных высокоширотных экспедициях "Север-1", "Север-2" и в исследованиях Арктики.
Занимался литературной деятельностью. Автор книг "Киреевы", "Полеты", "Мечта пилота", "От сохи к самолету", "Валерий Чкалов", "Полярный летчик", "В ледовом плену" и других. Был членом Союза писателей СССР.
Водопьянов – Герой Советского Союза, награжден четырьмя орденами Ленина, четырьмя орденами Красного Знамени, орденом Отечественной войны 1-й степени, медалями.
Скончался Михаил Водопьянов 11 августа 1980 года, похоронен в Москве на Троекуровском кладбище.
В Москве именем Водопьянова названа улица, а на доме, в котором он жил, установлена мемориальная доска. В Севастополе его именем назван спуск. В Липецке есть улица его имени и установлена памятная стела.
В 2013 году был установлен памятник Михаилу Водопьянову на Аллее летчиков-героев на Ходынском поле в Москве. Скульптурная композиция раскрывает яркий сюжет из жизни героя — первое в истории приземление на льды Северного полюса в 1936 году.
