Nato a West Orange, Michael Pitt a soli 16 anni si trasferisce a New York dal New Jersey, qui si cerca un lavoro modesto e vive in un appartamento con nove coinquilini.
Nel 1999, Pitt fa il suo debutto off-Broadway nella commedia "The Trestle at Pope Lick Creek" presso il New York Theatre Workshop. Un agente lo nota e lo propone per una serie televisiva, "Dawson's Creek". Al ruolo dell'amante di una rockstar travestita in "Hedwig - La diva con qualcosa in più" nel 2001 seguirono ruoli da attore non protagonista in alcuni film hollywoodiani come "Bully" e "Formula per un delitto", fino a essere chiamato come protagonista in "The Dreamers", di Bernardo Bertolucci. Nel film "Last Days" interpreta una rockstar eroinomane ispirata alla figura di Kurt Cobain.
Michael è leader e cofondatore di una band Post-grunge di cui è cantante e chitarrista: i Pagoda, che nel 2007, hanno pubblicato il loro primo album, omonimo. Nel 2010 ha recitato nella serie televisiva prodotta dalla HBO "Boardwalk Empire - L'impero del crimine" nel ruolo di co-protagonista insieme a Steve Buscemi, con il quale aveva già recitato nel film "Delirious - Tutto è possibile". Nel 2014 prende parte ad alcuni episodi di "Hannibal" nel ruolo di Mason Verger, ruolo che poi coprirà l'attore Joe Anderson. Altri film: "Rhinoceros Eyes", regia di Aaron Woodley (2003); "Wonderland - Massacro a Hollywood", regia di James Cox (2003); "Jailbait", regia di Brett C. Leonard (2004); "Ingannevole è il cuore più di ogni cosa", regia di Asia Argento (2004); "The Village", regia di M. Night Shyamalan (2004); "Perfect Partner", regia di Kim Gordon e Phil Morris (2005); "Seta", regia di François Girard (2007); "Funny Games", regia di Michael Haneke (2007); "I Origins", regia di Mike Cahill (2014); "Rob the Mob", regia di Raymond De Felitta (2014); "Il condominio dei cuori infranti (Asphalte)", regia di Samuel Benchetrit (2015); "Ghost in the Shell", regia di Rupert Sanders (2017), con Scarlet Johanson.