Après une enfance passée au Maroc, Michael Lonsdale s'installe avec sa mère à Paris et suit les cours de théâtre de Tania Balachova de 1952 à 1955. Il monte sur les planches pour la première fois en 1955 sous la direction de Raymond Rouleau dans Pour le meilleur et pour le pire qui se joue au Théâtre des Mathurins. Il débute au cinéma l'année suivante dans C'est arrivé à Aden de Michel Boisrond. En 1958, Gérard Oury, son partenaire de Pour le meilleur et pour le pire, passe à la mise en scène et lui offre un rôle dans La main chaude.
Michael Lonsdale débute au cinéma en 1956 dans C'est arrivé à Aden de Michel Boisrond. En 1959, Gérard Oury, son partenaire de Pour le meilleur et pour le pire, passe à la mise en scène et lui offre un petit rôle dans La main chaude. Lonsdale enchaîne les seconds rôles ou les rôles de figuration ; sa très haute taille, sa diction et sa voix si particulières le distinguent des jeunes premiers. Il tourne devant la caméra des grands réalisateurs de l'époque. En 1961 il joue pour Jean-Pierre Mocky dans Snobs ; leur collaboration s'étalera sur six autres films.
En 1962, Lonsdale apparaît sous la soutane d'un prêtre dans Le Procès d'Orson Welles ; pour un jeune comédien quasi inconnu, travailler pour Welles est une expérience unique. Le jeune homme timide, à la sensibilité exacerbée (comme il se qualifie lui-même quand il évoque sa jeunesse) prend alors de l'assurance en même temps qu'il rencontre Truffaut - qui l'engage pour La Mariée était en noir (1967) où l'acteur est un politicien sûr de lui qui finit asphyxié, enfermé dans un cagibi par Jeanne Moreau puis pour Baisers volés (1968) où il joue un riche personnage tourmenté de ne pas être aimé. Louis Malle et Luis Buñuel se chargent quant à eux de faire émerger les côtés douteux de l'homme aux manières trop raffinées. Il est ainsi un confesseur pédophile dans Le souffle au coeur du premier (1970) ou un chapelier masochiste et exhibitionniste dans Le fantôme de la liberté (1974) du second. Michael Lonsdale devient alors tout naturellement l'un des plus célèbres seconds rôles du cinéma français ; travailleur infatigable du septième art, il apparaît dans plus de 130 longs métrages. Distillant un jeu minimaliste mais percutant, ses apparitions, même courtes ou elliptiques, ne s'oublient pas. La distanciation volontaire que Lonsdale insuffle à ses personnages ne les rend que plus forts, et l'acteur dispose d'un gros capital sympathie auprès des spectateurs, même lorsqu'il interprète des rôles de méchants ou des personnages ambigus.
Après Mocky, Welles, Bunuel et Truffaut, Michael Lonsdale fait une rencontre marquante avec Marguerite Duras, qui deviendra une grande amie. Elle le fait tourner sur Détruire dit-elle (1969), Jaune le soleil (1971) et India Song (1974) où il est le vice-consul de Lahore, l'un de ses seuls premiers rôles au cinéma. Jusque-là, Lonsdale met son flegme britannique, sa diction posée et sa prestance au service presque exclusif des films "d'auteurs", travaillant pour Carné, Rivette, Hanoun, Lautner, Resnais, Joseph Losey etc. On l'avait tout de même vu dans la comédie populaire Hibernatus (Edouard Molinaro, 1969) dans le rôle du professeur Loriebat.
L'acteur se décide à réapparaître dans un film "commercial" dix ans plus tard : il incarne Hugo Drax, le méchant du James Bond signé Lewis Gilbert, Moonraker (1979). Ce rôle restera culte dans la filmographie de Lonsdale. Durant la décennie 80, l'acteur reste fidèle à son engagement en faveur des films d'avant-garde. Il apparaît sous les traits de saint Eloi dans Le bon Roi Dagobert (Dino Risi, 1984), revêt encore la robe ecclésiastique pour s'illustrer en père abbé obscurantiste dans Le nom de la rose de Jean-Jacques Annaud (1986).
Les années 90 voient moins souvent l'acteur sur grand écran (Lonsdale se consacre alors au théâtre). Claude Sautet le fait néanmoins jouer dans Nelly et monsieur Arnaud (1994) dans le rôle de Dollabella ; Lonsdale est même retenu pour le César du Meilleur second rôle.
Il est l'étrange professeur Stangerson dans Le Mystère de la chambe jaune (2002) et Le Parfum de la dame en noir (2004), signés Bruno Podalydès. De grands réalisateurs l'engagent, tel Milos Forman sur Les fantômes de Goya (2005) où Michael Lonsdale campe un grand inquisiteur, ou Spielberg sur Munich (2005). Catherine Breillat lui fait jouer le rôle du vicomte de Prony dans son adaptation de Une vieille maîtresse (2006).
Dans La Question humaine (Nicolas Klotz, 2006), l'acteur est tête d'affiche, au côté de Matthieu Almaric ; directeur général d'une multinationale, Lonsdale incarne un personnage inquiétant, au bord de la folie - un rôle qui lui vaut une nouvelle fois d'être sur la liste des prétendants au César du Meilleur acteur dans un second rôle. Ultime récompense, que Michael Lonsdale reçoit enfin en 2011 pour sa magistrale interprétation dans Des hommes et des dieux (2010). Devant la caméra de Xavier Beauvois, Lonsdale est l'humble frère Luc, l'un des huit moines français du monastère de Tibhirine en Algérie, retrouvés assassinés en 1996. Manoel de Oliveira lui confie un beau rôle dans Gébo et l'ombre (2011), un mélodrame où Lonsdale est un modeste père de famille âgé, qui continue à faire vivre sa famille malgré les difficultés.
Michael Lonsdale est autant comédien de théâtre qu'acteur de cinéma. Ses rôles sur les planches sont innombrables (plus de soixante-dix). Michael Lonsdale apparaît aussi dans plus de soixante-dix téléfilms ou documentaires pour la télévision. Il se lance aussi dans la mise en scène (spectacles musicaux et pièces du répertoire contemporains). Il prête sa voix si particulière à l'enregistrement de livres audio.
Michael Lonsdale est passionné par la peinture et expose ses toiles régulièrement. En 2012 paraît un livre, En chemin avec la bonté, où il présente les toiles et les photos qui ont influencé sa vie intérieure. Très croyant, Michael Lonsdale fait état de son engagement dans la religion catholique dans de nombreuses interviews et livres d'entretiens où il n'hésite pas à dire que sa foi est une composante essentielle de sa vie, comme dans un autre de ses livres, L'Amour sauvera le monde.
Courts métrages 1961 | Nom d'une pipe | Michel Fermaud |
| 1962 | Bureau des mariages (Le) | Yannick Bellon |
| 1964 | Tous les enfants du monde : Le Petit Nicolas | André Michel |
| 1965 | Comédie | Marin Karmitz, Jean Ravel, Jean-Marie Serreau |
| 1967 | Oiseaux de feu (Les) | Jean-Marie Baufle |
| 1968 | Projet Orfée | Pierre Marchou |
| 1969 | Pince à ongles (La) | Jean-Claude Carrière |
| 1970 | Poule (La) | Luc Béraud |
| 1970 | Station service | Gérald Calderon |
| 1973 | Hans Bellmer | Catherine Binet |
| 1974 | Droit à la ville (Le) | Jean-Louis Bertuccelli |
| 1974 | Jeu des preuves (Le) | Luc Béraud |
| 1974 | Musiciens du culte (Les) | Gérard Mordillat |
| 1975 | Choisie (La) | Gérard Mordillat |
| 1977 | Une sale histoire | Jean Eustache |
| 1979 | Acte manqué | Léon Desclozeaux |
| 1984 | Cinécalligrammes | Mohamed Charbagi |
| 1985 | Air d'aimer (L') | Dominique Cabrera |
| 1985 | Fumeurs de charme | Frédéric Sojcher |
| 1987 | A suivre | Robinson Savary |
| 1987 | Faits divers | Bill Barluet |
| 1991 | Langlois monumental | Jacques Richard |
| 1992 | Table d'émeraude (La) | Pierre Bourgeade |
| 1995 | Entretien (L') | Marc Mechain |
| 1995 | Vroum-vroum | Frédéric Sojcher |
| 1996 | Deux amis | Pierre Schoeller |
| 1999 | Is dead - Portrait incomplet de Gertrude Stein | Arnaud des Pallières |
| 2005 | Jeanne à petits pas | Nagar Djavadi |
| 2006 | Ce que je vous dois | Olivier Bouffard |
| 2007 | Ciels de traîne | Daniel Metge |
| 2008 | Bien joué | Sandrine Veysset |
| 2010 | Même l'avenir dure longtemps | Emmanuel Bonn |
Longs métrages| 1981 | Mora | Léon Desclozeaux |
| 1992 | Dieu sait quoi | Jean-Daniel Pollet |
| 1975 | Vivarium (Le) | Jacques Richard |
| 1956 | C'est arrivé à Aden | Michel Boisrond |
| 1958 | Une balle dans le canon | Charles Gérard, Michel Deville |
| 1959 | Main chaude (La) | Gérard Oury |
| 1960 | Portes claquent (Les) | Michel Fermaud, Jacques Poitrenaud |
| 1961 | Adorable menteuse | Michel Deville |
| 1961 | Crime ne paie pas (Le) | Gérard Oury |
| 1961 | Dénonciation (La) | Jacques Doniol-Valcroze |
| 1961 | Snobs | Jean-Pierre Mocky |
| 1962 | Procès (Le) | Orson Welles |
| 1963 | Behold a Pale Horse Et vint le jour de la vengeance | Fred Zinnemann |
| 1964 | Copains (Les) | Yves Robert |
| 1964 | Jaloux comme un tigre | Darry Cowl |
| 1965 | Bourse et la vie (La) | Jean-Pierre Mocky |
| 1965 | Je vous salue mafia | Raoul Lévy |
| 1965 | Paris brûle-t-il ? | René Clément |
| 1966 | Authentique procès de Carl-Emmanuel Jung (L') | Marcel Hanoun |
| 1966 | Compagnons de la marguerite (Les) | Jean-Pierre Mocky |
| 1966 | Homme à la Buick (L') | Gilles Grangier |
| 1966 | Judoka agent secret (Le) | Pierre Zimmer |
| 1967 | Mariée était en noir (La) | François Truffaut |
| 1968 | Baisers volés | François Truffaut |
| 1968 | Grande lessive (!) (La) | Jean-Pierre Mocky |
| 1969 | Détruire dit-elle | Marguerite Duras |
| 1969 | Étalon (L') | Jean-Pierre Mocky |
| 1969 | Hibernatus | Edouard Molinaro |
| 1969 | Hiver (L') | Marcel Hanoun |
| 1970 | Années Lumière (Les) | Jean Chapot |
| 1970 | Assassins de l'ordre (Les) | Marcel Carné |
| 1970 | Out 1 : Noli me tangere | Jacques Rivette |
| 1970 | Out 1 : Spectre | Jacques Rivette, Suzanne Schiffman |
| 1970 | Printemps (Le) | Marcel Hanoun |
| 1970 | Rose et le revolver (La) | Jean Desvilles |
| 1970 | Souffle au coeur (Le) | Louis Malle |
| 1971 | Automne (L') | Marcel Hanoun |
| 1971 | Grande Paulette (La) | Gérald Calderon |
| 1971 | Il était une fois un flic | Georges Lautner |
| 1971 | Jaune le soleil | Marguerite Duras |
| 1971 | Papa les petits bateaux | Nelly Kaplan |
| 1971 | Vieille fille (La) | Jean-Pierre Blanc |
| 1972 | Chut ! | Jean-Pierre Mocky |
| 1972 | Day of the Jackal (The) Chacal | Fred Zinnemann |
| 1972 | Fille au violoncelle (La) | Ivan Butler |
| 1973 | Caravan to Vaccares Le Passager | Geoffrey Reeve |
| 1973 | Glissements progressifs du plaisir | Alain Robbe-Grillet |
| 1973 | Grands sentiments font les bons gueuletons (Les) | Michel Berny |
| 1973 | Stavisky... | Alain Resnais |
| 1973 | Une baleine qui avait mal aux dents | Jacques Bral |
| 1973 | Vérité sur l'imaginaire passion d'un inconnu (La) | Marcel Hanoun |
| 1974 | Aloïse | Liliane de Kermadec |
| 1974 | Fantôme de la liberté (Le) | Luis Buñuel |
| 1974 | Galileo | Joseph Losey |
| 1974 | India song | Marguerite Duras |
| 1974 | Romantic Englishwoman (The) Une Anglaise romantique | Joseph Losey |
| 1974 | Section spéciale | Costa-Gavras |
| 1974 | Sérieux comme le plaisir | Robert Benayoun |
| 1974 | Suspects (Les) | Michel Wyn |
| 1974 | Un linceul n'a pas de poches | Jean-Pierre Mocky |
| 1975 | Adieu nu (L') | Jean-Henri Meunier |
| 1975 | Folle à tuer | Yves Boisset |
| 1975 | Monsieur Klein | Joseph Losey |
| 1975 | Né | Jacques Richard |
| 1975 | Oeufs brouillés (Les) | Joël Santoni |
| 1975 | Téléphone rose (Le) | Edouard Molinaro |
| 1975 | Traque (La) | Serge Leroy |
| 1975 | Vivarium (Le) | Jacques Richard |
| 1976 | Aurais dû faire gaffe, le choc est terrible | Jean-Henri Meunier |
| 1976 | Bartleby | Maurice Ronet |
| 1976 | Diable dans la boîte (Le) | Pierre Lary |
| 1977 | Imprécateur (L') | Jean-Louis Bertuccelli |
| 1977 | Linkshändige Frau (Die) La Femme gauchère | Peter Handke |
| 1978 | Moonraker | Lewis Gilbert |
| 1978 | Passage (The) Passeur d'hommes | J. Lee Thompson |
| 1979 | Rose et le blanc (Le) | Robert Pansard-Besson |
| 1980 | Douce enquête sur la violence | Gérard Guérin |
| 1980 | Jeux de la comtesse Dolingen de Gratz (Les) | Catherine Binet |
| 1980 | Seuls | Francis Reusser |
| 1981 | Enigma | Jeannot Szwarc |
| 1981 | Une jeunesse | Moshé Mizrahi |
| 1982 | Chronopolis | Piotr Kamler |
| 1983 | Erendira | Ruy Guerra |
| 1983 | Juge (Le) | Philippe Lefebvre |
| 1984 | Boulugres (Les) | Jean Hurtado |
| 1984 | Canevas la ville | Charles Dubois |
| 1984 | Couleur des mots (La) | Jérôme Beaujour, Jean Mascolo |
| 1984 | Dagobert Le Bon roi Dagobert | Dino Risi |
| 1984 | Holcroft Covenant (The) [Le Pacte Holcroft] | John Frankenheimer |
| 1985 | Billy-Ze-Kick | Gérard Mordillat |
| 1985 | Eveillé du pont de l'Alma (L') | Raoul Ruiz |
| 1986 | Nom de la rose (Le) | Jean-Jacques Annaud |
| 1987 | Madonna Mann (Der) | Hans-Christoph Blumenberg |
| 1987 | Souvenir | Geoffrey Reeve |
| 1988 | Niezwykla podróz Baltazara Kobera Les Tribulations de Balthazar Kober | Wojciech Has |
| 1991 | Ma vie est un enfer | Josiane Balasko |
| 1991 | Woyzeck | Guy Marignane |
| 1992 | Ordre du jour (L') | Michel Khleifi |
| 1992 | Remains of the Day (The) Les Vestiges du jour | James Ivory |
| 1994 | Jefferson in Paris Jefferson à Paris | James Ivory |
| 1994 | Nelly et Monsieur Arnaud | Claude Sautet |
| 1996 | Mauvais genre | Laurent Bénégui |
| 1996 | Plante humaine (La) | Pierre Hébert |
| 1997 | Don Juan | Jacques Weber |
| 1997 | Ronin | John Frankenheimer |
| 1998 | Château des singes (Le) | Jean-François Laguionie |
| 1999 | A Conversation with Gregory Peck | Barbara Kopple |
| 1999 | Acteurs (Les) | Bertrand Blier |
| 2000 | Ceux d'en face | Jean-Daniel Pollet |
| 2002 | Furet (Le) | Jean-Pierre Mocky |
| 2002 | Kaena, la prophétie | Chris Delaporte, Pascal Pinon |
| 2002 | Mystère de la chambre jaune (Le) | Bruno Podalydès |
| 2003 | 5 x 2 | François Ozon |
| 2003 | Adieu | Arnaud des Pallières |
| 2003 | Bye bye Blackbird | Robinson Savary |
| 2003 | Sotto falso nome Le Prix du désir | Roberto Andò |
| 2004 | Gentille | Sophie Fillières |
| 2004 | Il sera une fois | Sandrine Veysset |
| 2004 | Invisibles (Les) | Thierry Jousse |
| 2004 | Parfum de la dame en noir (Le) | Bruno Podalydès |
| 2004 | Selon Rachel | Sylvie Habault |
| 2005 | Fantasmas de Goya (Los) Les Fantômes de Goya | Milos Forman |
| 2005 | Munich | Steven Spielberg |
| 2006 | Chacun son cinéma : Le Don | Raoul Ruiz |
| 2006 | Question humaine (La) | Nicolas Klotz |
| 2006 | Tous à l'Ouest : une aventure de Lucky Luke | Olivier Jean-Marie |
| 2006 | Une vieille maîtresse | Catherine Breillat |
| 2007 | Bancs publics (Versailles rive droite) | Bruno Podalydès |
| 2008 | Agora | Alejandro Amenábar |
| 2008 | Je vais te manquer | Amanda Sthers |
| 2009 | Des hommes et des dieux | Xavier Beauvois |
| 2009 | Hitler à Hollywood HH, Hitler à Hollywood | Frédéric Sojcher |
| 2010 | Hommes libres (Les) | Ismaël Ferroukhi |
| 2010 | Titeuf, le film | Zep |
| 2010 | Villaggio di cartone (Il) Le Village de carton | Ermanno Olmi |
| 2011 | Gebo e a sombra Gébo et l'ombre | Manoel de Oliveira |
| 2012 | Renard jaune (Le) | Jean-Pierre Mocky |
| 2012 | Rosenn | Yvan Le Moine |
| 2013 | Maestro | Léa Fazer |
| 2014 | Filles au Moyen Age (Les) | Hubert Viel |
| 2015 | Je veux être actrice | Frédéric Sojcher |
| 2015 | Premiers, les derniers (Les) | Bouli Lanners |
| 2016 | Film de Bazin (Le) | Pierre Hébert |
| 2019 | Fantôme de Laurent Terzieff (Le) | Jacques Richard |