Michel Houellebecq werd geboren als Michel Thomas in het Franse overzeese departement Réunion, een eiland in de Indische Oceaan. Zijn vader René Thomas, een berggids en zijn moeder Lucie (Janine) Ceccaldi, arts en anesthesist, interesseerden zich weinig voor de kleine Michel. Slechts enkele maanden oud, werd hij bij zijn grootmoeder van vaders kant ondergebracht, terwijl zijn ouders door Afrika reisden. Enkele maanden later gingen ze uit elkaar, hoewel ze pas in 1960 officieel scheidden. Michels moeder liet haar zoon daarop overbrengen van grootmoeder van vaders kant naar haar eigen ouders in Algiers. Bij de scheiding van zijn ouders in oktober 1960 deed zijn moeder afstand van haar rechten, waarop Michel terug verhuisde naar zijn grootmoeder van vaders kant, Henriette Stéphanie Houellebecq, eerst in Dicy (Auxerre), daarna in Villiers-sur-Morin, vlak bij Parijs. Met zijn grootmoeder, die in 1978 overleed, had Michel een sterke band. Als eerbetoon nam hij later haar achternaam als pseudoniem aan. Zijn ouders zag hij alleen tijdens vakanties.
Op twaalfjarige leeftijd ging hij naar het Lycée Henri-Moissan in Meaux, waar hij tevens in het internaat verbleef. In 1974 wordt hij toegelaten tot het Lycée Chaptal in Parijs, waar hij wordt voorbereid op een studie aan een grande école, een van de prestigieuze Franse hogescholen. Een jaar later begint hij zijn studie aan het Institut national agronomique (INA) in Parijs-Grignon. In 1980 behaalde hij het diploma van landbouwingenieur en ook trouwde hij in dat jaar. Zijn zoon Étienne werd in 1981 geboren. Er volgde echter een echtscheiding, waarna hij vanwege een depressie meermaals behandeld moest worden in psychiatrische instellingen.
Op twintigjarige leeftijd ontlook zijn literaire interesse en in 1985 volgde een ontmoeting met Michel Bulteau, die hem de mogelijkheid gaf zijn eerste boek te publiceren: een essay over de Amerikaanse horrorschrijver Lovecraft, H.P. Lovecraft – Contre le monde, contre la vie (Nederlands: H.P. Lovecraft – Tegen de wereld, tegen het leven). Zijn eerste grotere literaire werk, de roman Extension du domaine de la lutte, verscheen in 1994.
Na het verschijnen van zijn roman Plateforme (2001) en de publicatie van een interview in het tijdschrift Lire werden Houellebecq en de uitgever van het blad voor het gerecht gedaagd door verschillende moslimorganisaties in Frankrijk, die vergeefs een schadevergoeding eisten. Omdat zijn werk met anti-islamitische elementen net voor de aanslagen op de Twin Towers verscheen, beschouwen sommigen hem als een visionair.
In 1998 hertrouwde hij met Marie-Pierre Gauthier. Vanaf 1998 leefde Houellebecq met zijn vrouw in vrijwillige ballingschap, eerst in Ierland en vanaf 2003 (deels) in Zuid-Spanje, in de buurt van Almeria. In 2010 scheidde het echtpaar. In 2015 woonde hij weer in Parijs, namelijk in Chinatown.
In september 2011 kwam het bericht dat Houellebecq vermist zou zijn, nadat hij afspraken in Nederland en België niet was nagekomen. Sinds eind juni 2011 reageerde hij niet meer op e-mails en telefoontjes van zijn uitgever. Diezelfde week dook hij echter alweer op. Als verklaring voor zijn mysterieuze verdwijning zei hij de afspraken te zijn vergeten. De film L'enlèvement de Michel Houellebecq uit 2014 is een mockumentary, een komisch drama met een knipoog naar de geruchtenmolen die op gang kwam tijdens de dagen dat hij vermist was.
In 2018 trouwde hij voor de derde keer, ditmaal met Qianyun Lysis Li, een 34 jaar jongere Chinese studente.
