Родился в семье Валентина Митрофанова — высокопоставленного чиновника Госплана СССР. В 1983 году окончил МГИМО, факультет — международные экономические отношения. В 1985—1988 годах работал в аппарате МИД СССР, представляющим министерство в Агентстве по атомной энергии в Вене. В 1988—1991 годах — аспирант Института США и Канады.
В 1991—1993 годах — продюсер телевизионных программ, работал на телевидении (автор и ведущий программы «Музыкальный прогноз», организатор фестиваля «Ступень к Парнасу» на телеканале «Останкино»).
В 1993—1995 годах — депутат Государственной думы от фракции ЛДПР, заместитель председателя Комитета по международным делам. На президентских выборах 1996 года Митрофанов был доверенным лицом Владимира Жириновского.
В 1995—1999 годах — депутат Государственной думы от фракции ЛДПР, председатель Комитета по вопросам геополитики. 20 сентября 1999 года баллотировался на пост мэра Москвы, набрал 0,6 % голосов. Вице-мэром был предложен Андрей Брежнев.
В 1999—2007 годах — депутат Государственной думы от фракции ЛДПР. Был председателем Комитета ГД по вопросам геополитики.
Кандидат на должность мэра города Москвы (2003 год). В выборах не участвовал, снял свою кандидатуру в связи с тем, что принял решение баллотироваться только в Госдуму.
29 августа 2007 года вышел из ЛДПР и заявил о намерении идти на декабрьские думские выборы по спискам «Справедливой России», мотивировав своё решение тем, что «ЛДПР в последние четыре года находится в политическом гетто», в то время как Россия движется в сторону двухпартийной политической системы: «Время гениальных импровизаций и интуиций проходит, появляются системные партии». Владимир Жириновский обвинил Митрофанова в работе на британскую разведку, а также назвал его «мошенником, который 16 лет обманывал партию». Жириновский также негативно оценил поддержку Митрофановым группы «Тату».
Митрофанов возглавлял региональный список «Справедливой России» в Пензенской области на выборах в Государственную думу в декабре 2007 года, который получил 4,5 % голосов. В результате Митрофанов не стал депутатом.
В 2011 году избран депутатом Государственной Думы Российской Федерации шестого созыва по спискам партии Справедливая Россия от Вологодской области. Член фракции партии Справедливая Россия. Член комитета ГД по делам общественных объединений и религиозных организаций.
Сестра — Элеонора Митрофанова — постоянный представитель России при ЮНЕСКО, председатель исполнительного совета ЮНЕСКО, чрезвычайный и полномочный посол.
Жена — Лиллевяли Марина Николаевна, род. 11.04.1960 г. Воспитывают сына Ивана и дочь Зою.
Племянник — Воронцов Сергей, российский иллюзионист, постановщик иллюзионных эффектов.
Митрофанов является автором литературных работ, сценариев фильмов и телевизионных передач о Жириновском, Берии, Громыко, Кашпировском, Андропове. Был продюсером программ «Маски-шоу» и «Джентльмен-шоу» на РТР.
В 1999 году во время кампании по выборам в Госдуму Митрофанов обещал предъявить иск в 500 миллионов долларов табачным компаниям British American Tobacco и Philip Morris за нанесение вреда здоровью российских курильщиков.
В 2005 году Митрофанов участвовал в написании сценария и выступил продюсером 26-минутного порнофильма «Юлия». В образе главных героев угадываются премьер-министр Украины Юлия Тимошенко и президент Грузии Михаил Саакашвили. Тем не менее, Митрофанов не присутствовал на презентации второго фильма «Миша или Новые приключения Юлии» 11 апреля 2007 года. Однопартийцы Митрофанова вынесли порицание депутату. На съезде ЛДПР 13 декабря Жириновский сказал, что «нужно заниматься делом, а не разными мерзостями, не снимать грязных фильмов, попахивающих порнографией, не распространять компрометирующие лидера партии видеозаписи, сделанные в ночных клубах». 12 апреля 2006 года на пленарном заседании Думы Митрофанов принёс официальные извинения Юлии Тимошенко за снятый фильм.
Митрофанов оказывает содействие российской поп-группе «Тату». В 2006 году Митрофанов обратился к депутатам Госдумы с предложением наградить солисток Орденом Дружбы, что негативно было встречено рядом деятелей культуры. Он также является частым посетителем мероприятий с участием «Тату». В 2006 году он выступил соавтором книги «Тату кам бэк», по которой режиссёр Ролан Жоффе снял фильм «Ты и я». В одном из интервью Митрофанов заявил:
Митрофанов выступил одним из организаторов проведения марша в защиту прав сексуальных меньшинств в Москве 27 мая 2007 года. Для поддержки этого мероприятия из Лос-Анджелеса прибыли участницы группы «Тату».
Митрофанов ведёт радиопередачу «Час будущего» на московской радиостанции Megapolis FM, которая выходит ежедневно по будним дням с 20.00 по 21.00 по московскому времени.
В программе «Прямой эфир» от 5 января 2012 года признался, что в комсомольские годы отлавливал неформатную молодежь — хиппи и т. д.