Michael Stuhlbarg se forme à la Juilliard School de New York, au National Youth Theatre of Great Britain de l'université de Londres et à l'université UCLA de Los Angeles.

Il brille sur les planches en jouant Jon Marans et Eugene O'Neill.

Débuts au petit écran dans la série ADN, MENACE IMMEDIATE (1998) et dans le téléfilm CSS HUNLEY (John Gray, 1999).

Le grand écran l'accueille dans les méconnus en France MACBETH IN MANHATTAN (Greg Lombardo, 1999) et THE GREY ZONE (Tim Blake Nelson, 2001).

La télévision le popularise dans NEW YORK, SECTION CRIMINELLE (2006), STUDIO 60 ON THE SUNSET TRIP (2006-2007), DAMAGES (2007), NEW YORK DISTRICT (2008) et UGLY BETTY (2009).

Ridley Scott le filme en avocat dans son thriller MENSONGES D'ÉTAT (2008) avec Leonardo DiCaprio et Russell Crowe.

Il apparaît dans les productions indépendantes AFTERSCHOOL (Antonio Campos, 2008) et ÂMES EN STOCK (Sophie Barthes, 2009) avec Paul Giamatti.

Les frères Coen le révèlent au monde en professeur de A SERIOUS MAN (2009, photo), chronique détonante de l'Amérique de 1967 entre vision cynique et quête existentielle.

Martin Scorsese le filme dans son court THE KEY TO RESERVA (2007), dans son conte des années 1930 HUGO CABRET (2011) et en fait le père du crime organisé Arnold Rothstein dans la série BOARDWALK EMPIRE (2010-2011).

Il croise Will Smith et Tommy Lee Jones alias les MEN IN BLACK 3 (Barry Sonnenfeld, 2012).