Отучившись несколько лет в омской театральной студии, Ульянов приехал в Москву и первым делом отправился искать студию Алексея Дикого, в которую хотел поступить. Это была единственная студия в Москве, о которой Ульянов слышал. Но оказалось, что ее давно не существует.
Молодой артист попытался поступить в Театральное училище им. Щепкина, но прошел только два тура. Такая же неудача постигла его и в студии при МХАТе. А в училище при Вахтанговском театре его приняли. После его окончания в 1950 году Ульянов пришел в театр имени Евгения Вахтангова и остался там на всю жизнь, а с сентября 1987 года стал художественным руководителем.
Первой серьезной работой молодого артиста стала роль Кирова в спектакле "Крепость на Волге". После успешных представлений в Москве было принято решение показать спектакль в Ленинграде - городе, которым Киров руководил в 30-е годы и где его почитали и любили.
Но гример отказался работать с молодым человеком, который был совсем не похож на своего героя: после голодной студенческой поры Ульянов не отличался упитанностью. Тогда обратились к гримеру с телевидения и тот, как рассказывал Ульянов, из пропитанных специальным клеем слоев ваты нарастил юноше "мясо": скулы, щеки, лоб. "В конечном счете я был похож на бурундука из папье-маше: круглые щечки, запрятанные в них глазки", - вспоминал актер.
На сцене грим отвалился. Молодой артист не растерялся и довел сцену до конца, а при следующем выходе поразил зрителей перевоплощением: вместо полнощекого человека на сцене появился юноша с изможденным лицом. Газеты не слишком благосклонно отнеслись к дебюту Ульянова на ленинградской сцене: в одной из рецензий говорилось, что артисту, по причине его молодости, еще не удаются роли такого масштаба.
Впоследствии артисту часто приходилось играть роли сильных мира сего - и Сталина, и Наполеона, и Ленина в спектакле "Человек с ружьем". Он очень боялся, по его собственному выражению, "окаменеть" и чтобы не быть раздавленным фигурой основателя советского государства, объяснял Ульянов, он и начал играть отрицательных персонажей.
В 1953 году Михаил Ульянов начал сниматься в кино. Первой его работой стала роль Якова Лаптева в фильме "Егор Булычев и другие", но заметили актера после главной роли в эпопее "Добровольцы". Затем он снялся в фильмах "Они были первыми", "Дом, в котором я живу". Наибольшей творческой удачей Ульянова критики называли роль Егора Трубникова в драме "Председатель" - в 1966 году за эту роль актер удостоился Ленинской премии, а тремя годами позже получил звание народного артиста СССР.
В 1970-х годах на сцене театра Вахтангова актер создал целую галерею исторических образов - Антония, Ричарда III, Степана Разина. В 1973 году Ульянов дебютировал как режиссер, поставив фильм "Самый последний день", в котором также сыграл и главную роль.
В 1976 году в киноэпопее "Освобождение" Ульянов впервые исполнил роль Георгия Константиновича Жукова (всего актер сыграл Жукова в 12 фильмах). Когда ему предложили играть великого маршала, он сначала отказался: страшно было брать на себя такую ответственность. Но режиссер Юрий Озеров сказал: "Жаль-жаль, потому что, когда я сказал Георгию Константиновичу, что играть будет Ульянов, он ответил: "Ну что ж, я этого актера знаю. Вполне вероятно, что он может справиться с такой задачей". "Уж не знаю, был ли это режиссерский прием или слова Жукова были подлинными, но на меня они подействовали", - вспоминал Ульянов.
Памятники маршала Жукова наделяли чертами Ульянова
Образ Жукова в исполнении актера получился столь ярким и запоминающимся, что, как утверждали СМИ, некоторые памятники Жукову были наделены чертами не маршала, а Ульянова - скульпторам казалась естественным вылепить лицо актера, по работам которого страна знала своего полководца.
Правда, сам Ульянов не воспользовался естественным правом актера на знакомство со своим героем: "Когда начали снимать "Освобождение", Жуков был тяжело болен, и речи не было о том, чтобы побеседовать с ним. А после его выздоровления из-за потока ежедневных дел я все откладывал возможность встречи на завтра, да, откровенно, и боялся побеспокоить маршала. А "завтра" и не вышло. Только цветы к гробу Георгия Константиновича я успел положить и до сих пор мучительно ощущаю невозвратимость упущенного".
Профессиональную деятельность Ульянов в течение многих лет сочетал с общественной: он был членом партии, делегатом "перестроечного" XXVII съезда КПСС, в разное время занимал должности секретаря правления Союза кинематографистов СССР, председателя правления Союза театральных деятелей РСФСР.
Помимо Ленинской премии, Ульянов был награжден Государственной премией РСФСР и Государственной премией СССР, двумя орденами Ленина и орденом Октябрьской Революции, удостоен звания Героя Социалистического Труда. В 1982 году на Международном кинофестивале в Венеции он получил "Золотого льва".
В 1996 году артист был награжден орденом "За заслуги перед Отечеством" III степени, в 1998 году стал лауреатом премии президента РФ в области литературы и искусства, в 1999 году - лауреатом премии деловых кругов России "Кумир" в номинации "За высокое служение искусству", в 2003 году - лауреатом Международной театральной премии имени Станиславского.
В 1990-е годы Ульянов снимался по-прежнему много: в социальном фарсе Михаила Пташука "Кооператив "Политбюро" (1992), оптимистической комедии Дмитрия Астрахана "Все будет хорошо" (1995), вольном римейке старого голливудского триллера "Жажда смерти" под названием "Ворошиловский стрелок". Участие в последнем проекте принесло ему премию "Ника".
В 2005-2006 годах Ульянов много болел, в конце 2006 года даже просил освободить его от должности художественного руководителя театра, однако коллеги уговорили его остаться на этой должности еще на один сезон. Но 22 марта актера с обострением тяжелой хронической болезни доставили в клинику и поместили в реанимационное отделение. 26 марта 2007 года Ульянова не стало.