Научился играть в шахматы в двенадцать лет и уже через два года получил первый разряд. Известность и уверенность в своих силах принесла М. М. Ботвиннику победа над чемпионом мира X. Р. Капабланкой в сеансе одновременной игры (1925, Ленинград).

В шестнадцатилетнем возрасте самый молодой мастер спорта в стране с успехом дебютировал в чемпионате СССР, поделив 5-6-е места среди 21 участника. В 1928-1932 гг. учился в политехническом институте. Одновременно с завоеванием международного признания в шахматном спорте прошел аспирантуру, защитил диссертацию и получил ученую степень кандидата технических наук.

В начале 1930-х гг. стал одним из сильнейших шахматистов страны после побед, одержанных на чемпионатах СССР (1931,1933) и Ленинграда (1931-1932).
 В 1933 г. сыграл вничью (3 : 3) матч с С. Флором, гроссмейстером из Чехословакии, который впоследствии жил в СССР. В 1935 г. на Международном турнире в Москве М. М. Ботвинник занял первое и второе места. Интерес зрителей к его матчам был настолько велик, что количество их приходилось ограничивать. После турнира ему было присвоено звание гроссмейстера СССР. В этом же году М. М. Ботвинник женился на Гаянэ Ананевой - балерине Ленинградского театра оперы и балета, чье дружеское участие, забота и внимание стали одним из слагаемых успеха лидера русских шахматистов.
 В 1936 г. в Ноттингеме состоялся очень ответственный турнир, на котором М. М. Ботвинник завоевал второе место, уступив лишь Капабланке. Здесь, в Англии, он окончательно завоевал мировое признание и стал одним из претендентов на мировое первенство. В 1938 г. одержал важную победу над Алехиным, который отмечал у молодого соперника, помимо большого таланта, необходимые для успеха "бесстрашие, выдержку, точное чутье".

В этом же году Алехин дал согласие на матч, однако из-за начавшейся войны он не состоялся.
 Много времени М. М. Ботвинник уделял аналитической работе над шахматами, разработал и опубликовал в 1939 г. специальную методику подготовки к соревнованиям, которая стала практическим руководством для нескольких поколений отечественных шахматистов. Стиль его игры постепенно превратился из комбинированного в универсальный и динамичный: он ценил каждый ход на вес золота и стремился направить его к определенной цели, будь то укрепление обороны или наращивание позиционных преимуществ, выигрыш времени для обдумывания или приближение откладывания партии и т. д. Внес ценный вклад в развитие дебютной теории: ввел в практику новые продолжения в английском начале, славянской и голландской защитах и ряде других дебютов.

Будущий чемпион мира по шахматам в годы Второй мировой войны работал в Перми инженером: специализировался на высоковольтной изоляции.

В 1945 г. возглавил сборную СССР в историческом радиоматче с командой США, в котором советские шахматисты победили с внушительным счетом - 15,5 : 4,5 (Ботвинник выиграл на первой доске у чемпиона США А. Денкера со счетом 2:0).

После внезапной смерти Алехина в 1946 г. стал основным претендентом на звание чемпиона мира. В 1941-1948 гг. М. М. Ботвинник завоевал восемь первых мест подряд в турнирах высочайшего ранга, потерпев всего 11 поражений в сыгранных 137 партиях, набрал 76% очков с отрывом от вторых призеров на 2,5 и даже на 3 очка.

В 1951- 1963 гг. сыграл 7 матчей на первенство мира. Из них: два вничью 12 :12 (с Д. Бронштейном, 1951 и В. Смысловым, 1954), три проиграл (В. Смыслову, 1957 - 9,5 : 12,5; М. Талю, 1960 - 8,5 :12,5 и Т. Петросяну, 1963 - 9,5 : 12,5) и выиграл два матча-реванша (у Смыслова, 1958 - 12,5 :10,5 и Таля, 1961 - 13 : 8), стал единственным шахматистом, дважды возвратившим звание чемпиона. Его слова: "Один матч на первенство мира отнимает два года жизни" - нередко повторяли последующие чемпионы.

Успешно совмещал шахматную деятельность с научной работой в области электроники: стал автором ряда изобретений, которые были запатентованы во многих странах мира. В 1951 г. защитил докторскую диссертацию на тему: "Регулирование возбуждения и статическая устойчивость синхронной машины".
 С начала 1970-х гг. работал над созданием искусственного шахматного мастера - компьютерной программы "Пионер". Вел активную педагогическую деятельность: многие годы руководил юношеской шахматной школой, в которой занимались будущие чемпионы мира А. Карпов и Г. Каспаров, известные международные гроссмейстеры А. Соколов, А. Юсупов, Н. Иоселиани и другие. Всего сыграл в турнирах и матчах 1202 партии, в которых одержал 610 побед и сыграл 453 ничьи (набрал около 70% очков).