Родился 13 февраля 1966 года в Москве.

Уже в начальной школе Михаил Мамаев начал писать, придумывал сюжет научно-фантастического романа. Отец поддержал творческий порыв сына и помог ему опубликовать первые опусы в одной из рубрик «Комсомольской правды». В итоге Михаил Мамаев пошел по стопам отца и, имея к моменту окончания школы многочисленные публикации, в том числе в журнале «Юность», поступил на факультет журналистики в престижный МГИМО. После окончания университета Михаил не поехал по распределению в Латинскую Америку, а остался в Москве и получил работу в международном отделе журнала «Огонек».
В начале 90-х случайное знакомство привело Михаила Мамаева в антрепризный спектакль «Калигула». Начинающий актер легко вжился в роль придворного поэта, ведь читать ему надо было собственные стихи. Окончательно определившись с выбором профессии, он поступил в театральное училище им. Щукина.
Еще одна случайная встреча – на этот раз в ресторане с режиссером Светланой Дружининой – предопределила дальнейшую судьбу актера. Дружинина пригласила Михаила Мамаева на роль в свою картину «Виват, гардемарины!» – продолжение нашумевшего фильма «Вперед, гардемарины!». Из-за съемок Михаилу Мамаеву пришлось покинуть «Щуку», зато после выхода ленты на экраны его лицо стало известно всей стране.
Окончил журфак МГИМО и актёрский факультет ГИТИСа (курс Владимира Андреева).
В 2001 году Михаил Мамаев сыграл главаря банды в фильме «Воровка» и вновь вернулся к жанру исторической мелодрамы, снявшись в одной из главных ролей в телефильме «Тайны дворцовых переворотов». В 2002 году Михаил Мамаев сыграл наследника российского престола в драме «Любовь императора».

Последние годы Михаил Мамаев активно снимается в сериалах на российском телевидении. На его счету роли в сериалах «Таксистка», «Бальзаковский возраст, или Все мужики сво...», «Шахматист», «Однажды будет любовь»,«Чемпион». В 2011 году в эфир вышел сериал «Месть» с его участием. В 2012-м актер снялся в сериалах «Золотой запас» и «Холостяк».