Михаил Васильевич Водопьянов родился 6 (18) ноября 1899 года в селе Большие Студёнки Липецкого уезда Тамбовской губернии (ныне часть города Липецка) в семье крестьянина.
В феврале 1918 года добровольно вступил в Красную Армию. Служил обозным в Дивизионе Воздушных Кораблей «Илья Муромец» . Участвовал в гражданской войне. Воевал против Колчака и Врангеля.
С 1920 года — помощник шофёра.C 1921 года — шофёр.
С 1925 года — авиационный моторист, затем бортмеханик, работал под руководством известного лётчика и авиаинженера Харитона Славороссова.Михаил Водопьянов (справа) и Харитон Славороссов у самолёта «Конёк-горбунок» . 1925 год.
В 1928 году окончил лётную школу «Добролёта» .
В 1929 году — окончил Московскую лётно-техническую школу.
В качестве бортмеханика, а затем и лётчика участвовал в экспедициях по борьбе с саранчой на Северном Кавказе и в Казахстане.
С 1929 года работал в управлении Дальневосточных воздушных линий «Трансавиация» общества «Добролёт» в Хабаровске.9 января 1930 года на самолёте «СССР-127» проложил воздушный маршрут: Хабаровск — Оха — Александровск-на-Сахалине, названный «Трассой героев» и протяженностью 1 130 км. Первый маршрут перелета готовил вместе с пилотом Карлом Ренкасом.
С 1931 года работал на Центральном аэродроме в лётном отряде газеты «Правда» , доставлявшем газетные матрицы в крупнейшие города СССР. Потом летал на гражданских самолётах по дальним воздушным трассам Москва — Ленинград, Москва — Иркутск, на остров Сахалин.Зимой 1933 года в испытательном перелёте из Москвы до Петропавловска-Камчатского его самолёт разбился на озере Байкал. Бортмеханик Серёгин погиб, а М. В. Водопьянов получил сотрясение мозга и множественные переломы (впоследствии только на голову наложили 36 швов).
В 1934 году, после долгой осады правительственной комиссии, добился отправки для участия в спасении челюскинцев. Вместе с В. Галышевым и И. Дорониным совершил перелёт длиной почти 6500 км из Хабаровска в Ванкарем на самолёте Р-5, без штурмана, без радиста, через хребты, через горы, по неимоверно тяжёлой трассе. Из Анадыря трижды летал к терпящим бедствие и вывез 10 человек. За мужество и героизм, проявленные при спасении челюскинцев, 20 апреля 1934 года ему присвоено звание Героя Советского Союза с вручением ордена Ленина. 4 ноября 1939 года М. В. Водопьянову была вручена медаль «Золотая звезда» № 6.
В 1936—1937 годах совершал полёты в Арктику, был командиром лётного отряда. 21 мая 1937 года на самолёте АНТ-6 (арктический вариант ТБ-3) во время первой высокоширотной советской экспедиции «Север» впервые в мире совершил посадку на лёд в районе Северного полюса, применив впервые тормозной парашют. Самолёт Водопьянова доставил группу зимовщиков, которые организовали первую дрейфующую станцию «Северный полюс» (СП-1). За это был награждён орденом Ленина (статуса дважды Героя Советского Союза в то время ещё не существовало).Делегат XVIII съезда ВКП(б).Участник советско-финляндской войны 1939—1940 в должности командира тяжёлого бомбардировщика ТБ-3. Совершил несколько боевых вылетов, был награждён орденом Красного Знамени. 2 февраля 1940 года присвоено звание комбрига.Участник Великой Отечественной войны: с июля 1941 года — командир 81-й дальнебомбардировочной авиационной дивизии.
В ночь с 10 на 11 августа 1941-го лично участвовал во втором налёте на Берлин (в одном экипаже с Э. Пусэпом). Его самолёт Пе-8 был подбит и совершил вынужденную посадку на территории, занятой противником. Через линию фронта вернулся к своим. За большие потери был смещён с должности командира дивизии, но продолжал совершать боевые вылеты как рядовой лётчик.
С 1946 года генерал-майор авиации М. В. Водопьянов — в отставке.
В 1948—1950 годах участвовал в военных высокоширотных экспедициях «Север» и «Север-2» .
В 1949 году был представлен к награждению второй медалью «Золотая Звезда» , но получил орден Ленина (из-за секретности награждения).Жил в Москве. Член Союза писателей, активно занимался литературной деятельностью. Умер 11 августа 1980 года. Похоронен на Троекуровском кладбище в Москве.