Pochodzi z latynoskiej rodziny. Wychował się w niebezpiecznej dzielnicy południowego Chicago. Kiedy rodzice wychodzili rano do pracy w fabryce przykazywali Michaelowi i jego bratu aby nie opuszczali domu. Aby się czymś zająć chłopcy oglądali telewizję, a z czasem zaczęli bawić się w robienie własnych programów i filmów. W ten sposób Michael Pena rozpoczął swoją przygodę z aktorstwem. Po szkole średniej podjął dobrze płatną pracę w banku. Kiedy przyjaciel zaczął go namawiać na wzięcie udziału w castingach Pena niechętnie się zgodził, bowiem nie chciał rezygnować z lukratywnego stanowiska.

Zadebiutował jako aktor telewizyjny w serialach „Nowojorscy gliniarze” (1996), „Dotyk anioła” oraz „Siódme niebo”. Grywał również w produkcjach kina niezależnego: „Running Free” (1994), komediodramacie „Mapa złudzeń” (1997), thrillerze „Cucaracha” (1998) oraz dramacie „Bellyfruit” (1999). W 1999 roku otrzymał rolę drugoplanową w serialu „Felicity” zaś rok później wystąpił w swoim pierwszym filmie hollywoodzkim „60 sekund” (2000) z Nicholasem Cagem i Angeliną Jolie w rolach głównych.  Postać drugoplanową Pena zagrał w  czarnej komedii wojennej „Buffalo Soldiers” (2001) opowiadającej o amerykańskich żołnierzach stacjonujących w Niemczech Zachodnich tuż przed upadkiem muru berlińskiego.

W 2003 roku na planie filmu „Odmienne stany moralności” Pena poznał aktora Dona Cheadle, który został jego dobrym przyjacielem. Przełomem w karierze aktorskiej Michaela była rola Omara w dramacie „Za wszelką cenę” (2004) opowiadającym o młodej kobiecie, która ciężka pracą zdobywa tytuł mistrzyni boksu. Za rolę w tym filmie Hilary Swank i Morgan Freeman otrzymali Oscary dla najlepszych aktorów, statuetką uhonorowany został również film i jego reżyser – Clint Eastwood.

Tego samego roku Michael Pena wystąpił w kolejnym nagrodzonym Oscarem filmie – „Miasto gniewu” (2004) opowiadającym o losach ośmiu osób mieszkających w Los Angeles, które mogą być zamieszane w zbrodnię na tle rasowym. Latynoski aktor zagrał tutaj Daniela - ojca rodziny, którego rasistowskie poczynania ranią jego najbliższych.

Równolegle do ról filmowych, Pena grywał również w telewizji. Wystąpił m.in. w serialach “Strefa mroku” (2003) i “CSI: Crime Scene Investigation” (2005) oraz w nagrodzonej Złotym Globem kryminalnej serii „Shield”, w której zagrał skorumpowanego gliniarza Armando Rentę. W telewizyjnym filmie „Walkout” (2006) Pena wcielił się w postać meksykańskiego nauczyciela Sala Castro, który zainspirował latynoskich uczniów do walki o równe traktowanie.

Pierwszą w swojej karierze rolę główną Michael Pena zagrał w filmie, który stał się głośny na wiele miesięcy przed premierą. W opartym na faktach autentycznych dramacie Olivera Stone’a „World Trade Center” (2006) latynoski aktor wystąpił jako Will Jimeno – jeden z dwóch policjantów uwięzionych w ruinach WTC po ataku terrorystycznym 11 września 2001. W najbliższym czasie aktor rozpocznie zdjęcia do thrillera „The Shooter” (2007) w reżyserii Antoine’a Fuqua.

W wolnym czasie aktor, mieszkający obecnie w Los Angeles, grywa w zespole na gitarze basowej, zaś dla relaksu uprawia boks i grę w golfa.