Отец Майкла приехал в Южную Африку из Литвы, мать - из Богемии. Левитт переехал в Великобританию в 1964 году, через три года закончил лондонский Кингс-колледж со степенью бакалавра физики, стажировался в лаборатории Шнеура Лифсона в Институте Вейцмана в Реховоте, Израиль (его шефом был Арье Варшель). В 1971 г. в колледже Гонвилл-энд-Киз Левитт получил докторскую степень в области вычислительной биологии, затем продолжил постдокторскую стажировку в Институте Вейцмана.

В 1974 г. Левитт был принят научным сотрудником в Лабораторию молекулярной биологии в Кембридже. В 1979-87 гг. он занимал должность сначала доцента, а с 1984 г. - профессора химической физики в Институте Вейцмана в Израиле. В 1980-83 годах он был также заведующим отделением химической физики Института. С 1987 г. Левитт - профессор отделения структурной биологии Медицинской школы Стэнфордского университета, в 1993-2004 годах - заведующий этим отделением.

Левитт стал одним из первых, кто применил метод классической молекулярной динамики к молекулам ДНК и белков и разработал первое программное обеспечение для этих целей. Он также разработал методы предсказания макромолекулярных структур, работал в сотрудничестве с Сайрусом Чотия, был научным руководителем таких учёных, как Марк Герштейн и Рам Самудрала.

В 2013 г. Майкл Левитт совместно с Арье Варшелем и Мартином Карплусом был удостоен Нобелевской премии по химии "за создание многоуровневых моделей сложных химических систем". Является членом Национальной академии наук США и Королевского общества Великобритании.

Имя Майкл - английская форма библейского имени Михаэль, означающего "кто как Бог". Фамилия Левитт произошла от названия колена Левитов (священников), потомков Левия.