Nacida el 23 de marzo de 1976, como Michelle Lynn Monaghan, hija de Sharon Hamel y Bob Monaghan, en Winthrop, Iowa. Estudio la carrera de periodismo en el Columbia College de Chicago. Para pagarse la carrera, comenzó a trabajar medio tiempo como modelo, asistiendo a eventos en Italia, Singapur, Hong Kong y Tokio, apareciendo en numerosas revistas.

Al alcanzar cierto renombre como modelo, Michelle tuvo la oportunidad de aparecer como actriz en algunas series televisivas como Young Americans y Law & Order: Special Victims Unit. Debuto en el cine con el papel de Henrietta, en la cinta El Perfume (2001). Al año siguiente, consiguió cierta notoriedad trabajando en la popular serie Boston Public, en el papel de Kimberly Woods. Su primer papel importante en el cine sucedió con la cinta Entre besos y tiros (2005) del director y escritor Shane Black, al lado de Robert Downey Jr. y Val Kilmer. Un año después, volvería a participar en una gran producción, al lado de Tom Cruise, en la cinta Misión Imposible III (2006), trabajando para J.J. Abrams.

Michelle ha trabajado con directores de renombre como Ben Affleck (Gone baby gone, 2007), Bobby y Peter Farrelly (The Heartbreak Kid, 2007), Sofia Coppola (Somewhere, 2010), Marc Forster (Machine Gun Preacher, 2011), además de participar en comedias románticas como La boda de mi novia (2008) y en la popular serie de HBO, True Detective.