М. С. Лунин родился в семье статского советника и богатого тамбовско-саратовского помещика, имевшего 1200 крепостных душ — Сергея Михайловича Лунина. Получил прекрасное образование. Он кроме французского языка, также хорошо знал английский, польский, латинский и греческий языки. Был воспитан в католичестве. Служил в Кавалергардском полку.
Участвовал в ряде исторических сражений, где отличался проявлениями храбрости.
В 1815 году М. С. Лунин ушёл в отставку с военной службы. Уехал за границу и год прожил в Париже, зарабатывая уроками и адвокатурой. В Париже он познакомился с Сен-Симоном.
В 1817 году после смерти отца, став наследником большого состояния, вернулся в Россию. В Петербурге он вступил в «Союз спасения», и в дальнейшем был одним из основателей «Союза благоденствия», после прекращения деятельности которого Лунин стал членом «Северного тайного общества».
В 1822 году М. С. Лунин поступил на службу в Лейб-гвардии Гродненский гусарский полк. Он был назначен адъютантом Великого князя Константина Павловича, который был главнокомандующим войсками Варшавского военного округа.
После 1822 года Лунин отошёл от идей основателей движения, оставаясь приверженцем необходимости политических перемен в России, и прежде всего — освобождения крестьян. Он, в основном, отвергал способы, предлагаемые участниками тайных обществ, которые казались Лунину неприемлемыми.
В событиях 14 декабря 1825 года в Санкт-Петербурге М. С. Лунин не принимал участия, так как в то время находился на службе в Польше. В марте 1826 года вызывался свидетелем по делу о восстании в Варшавский следственный комитет. Из декабристов Лунин был арестован последним: 10 апреля 1826 г. отправлен в Петербург под конвоем и в сопровождении фельдъегеря. В ночь на 16 апреля помещён в Петропавловскую крепость.
Следственному комитету Лунин заявил: «Я поставил себе неизменным правилом никого не называть поимённо». Факт своего участия в тайном обществе не отрицал.
В 1826 году М. С. Лунин был осуждён в основном за план цареубийства 1816 года. Приговорён к пожизненной каторге. 10 июля 1826 года срок каторги сокращён до 20 лет, по манифесту от 22 августа 1826 г. — до 15 лет с последующим поселением в Сибири навечно. В 1832 году срок каторги был сокращён до 10 лет.
Перед судом всем декабристам было предложено написать завещание. Лунин по завещанию передал своё имение двоюродному брату с условием, чтобы тот отпустил крестьян на волю. Его сестра под давлением мужа оспорила завещание. Имение досталось ей.
После заключения в крепости Свеаборг и Выборгской тюрьме направлен в Читинский острог (доставлен 11 апреля 1828 года). Переведён на Петровский завод в августе 1830 года. В 1836 году вышел на поселение в с. Урик.
В 1837 году Лунин создаёт серию политических писем, адресованных сестре: он задался целью написать историю декабристского движения, предполагалось, что письма станут известны широкому кругу читателей. В начале 1838 года он пишет «Розыск исторический» (краткое обозрение прошлого Российского государства), в сентябре 1838 года «Взгляд на Русское Тайное Общество с 1816 по 1826 года» (очерк по истории тайных обществ), в ноябре 1839 года «Разбор Донесения, представленного императору Тайной комиссией 1826 г.» (содержит критическое исследование «Донесения» и взгляд автора на декабристское движение с обозначением его истинных целей). Лунин планировал написать «Разбор деятельности Верховного уголовного суда» для чего просил сестру прислать документы и материалы, касающиеся Восстания 14 декабря: публикации газет, рассказы очевидцев. Замысел не был осуществлён, так как Лунин не получил требуемые материалы.
В Иркутске сложился кружок распространителей сочинений Лунина: преподаватели местных училищ Журавлёв и Крюков, казачий офицер Черепанов, декабрист П. Ф. Громницкий. Чиновник особых поручений при иркутском губернаторе Руперте Успенский увидел список одного из произведений Лунина у Журавлёва, взял его якобы для прочтения, снял копию и переслал с донесением А. Х. Бенкендорфу. В ночь с 26 на 27 марта 1841 года Лунин был арестован, его бумаги изъяты. Сам Лунин сослан в Акатуй.
3 декабря 1845 года Лунин скончался в тюрьме. По официальной версии, причиной смерти был апоплексический удар. Современники, а позднее С.Б. Окунь и Н.Я. Эйдельман считали, что Лунин был убит.
Работая над десятой главой «Евгения Онегина», Пушкин описал такое заседание:
Витийством резким знамениты,
Сбирались члены сей семьи
У беспокойного Никиты,
У осторожного Ильи.
Друг Марса, Вакха и Венеры,
Им резко Лунин предлагал
Свои решительные меры
И вдохновенно бормотал.
Читал сво<и> Ноэли Пу<шкин>,
Мела<нхолический> Якушкин,
Казалось, молча обнажал
Цареубийственный кинжал (VI, 524).