Михаил Ковальчук родился 21 сентября 1946 года в городе Ленинград. Его мать - преподаватель Ленинградского государственного университета, а отец - историк, специалист по Ленинградской блокаде. В 1970 году юноша с отличием окончил физический факультет Ленинградского государственного университета.
После окончания университета Михаил Ковальчук работал в Институте кристаллографии имени А.В. Шубникова АН СССР в Москве, где прошел путь от стажера-исследователя до заведующего одной из ведущих лабораторий института - рентгеновской оптики и синхротронного излучения. С 1988 года доктор физико-математических наук, с 1998 года - профессор. С 1998 года на протяжении 15 лет Ковальчук являлся директором Института кристаллографии имени А.В. Шубникова Российской Академии Наук.
В 1999 году Ковальчук Михаил назначен директором «Курчатовского центра синхротронных исследований». Под его руководством введен в эксплуатацию первый и единственный в России специализированный Курчатовский источник синхротронного излучения и создано новое поколение прецизионного рентгеновского оборудования мирового класса.
Работы Ковальчука с использованием синхротронного излучения послужили фундаментом для превращения рентгеновских методов в инструмент для изучения структуры поверхности, тонких слоев и определения положения отдельных атомов.
Междисциплинарные исследования, начатые М.В. Ковальчуком в Институте кристаллографии РАН и продолженные в Курчатовском институте, вышли на новый уровень с развитием принципиально нового научного направления - конвергенции нано-, био-, инфо-, когнитивных и социогуманитарных наук и технологий.
Ковальчук сформировал стратегию развития в России этого нового прорывного направления и создал в 2009 году не имеющий мировых аналогов Курчатовский НБИКС-центр, где под его научным руководством развиваются исследования, направленные на конвергенцию современных технологий с «конструкциями» живой природы.
По инициативе и при непосредственном участии Михаила Валентиновича в Курчатовском институте была сформирована научная программа, ориентированная, прежде всего, на проведение междисциплинарных научных исследований на крупных исследовательских комплексах. Реализация этой программы позволила развернуть на качественно новом уровне работы практически по всем направлениям современной науки: от энергетики, конвергентных технологий и физики элементарных частиц до высокотехнологичной медицины, биологии и информационных технологий.
Михаил Ковальчук является руководителем межведомственной рабочей группы по направлению «Приоритетные и междисциплинарные научные исследования» при Совете при Президенте РФ по науке и образованию. Состоит в международном управляющем комитете глобального научного проекта XFEL. Многолетний автор и ведущий научно-популярной телепрограммы «Истории из будущего с Михаилом Ковальчуком». Член совета фонда «Сколково». Действительный член Американской ассоциации развития науки (ААAS) по секции «Физика».
Также Михаил Валентинович является научным руководителем факультета нано-, био-, информационных и когнитивных технологий МФТИ. Декан физического факультета СПБГУ, заведующий кафедрой оптики, спектроскопии и физики наносистем физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова и кафедрой нейтронной и синхротронной физики СПбГУ. Главный редактор журнала «Кристаллография» РАН. Автор и соавтор более 250 научных работ, из них 21 авторского свидетельства и 10 патентов.
С 31 декабря 2015 года Михаил Валентинович Ковальчук назначен президентом Национального исследовательского центра «Курчатовский институт» сроком на пять лет.