Родился 4 (16) февраля 1893 в имении Александровское Дорогобужского уезда Смоленской губернии в дворянской семье. В 1914 окончил Александровское военного училище. Участвовал в Первой мировой войне в чине поручика. В 1915 попал в плен, в 1917 бежал в Россию.

После Октябрьской революции перешел на сторону советской власти, в 1918 вступил в партию большевиков. Работал в военном отделе ВЦИК, с мая 1918 военный комиссар обороны Московского района, в июне – декабре командовал 1-й армией Восточного фронта. В декабре 1918 – январе 1919 помощник командующего Южным фронтом, в январе – марте 1919 командующий 8-й армией Южного фронта, с апреля по ноябрь – командующий 5-й армией, которая участвовала в контрнаступлении Восточного фронта, в Златоустовской, Челябинской и других операциях по освобождению Урала и Сибири от войск Колчака.

В январе – апреле 1920 – командующий Кавказским фронтом, под его руководством осуществлены Егорлыкская и Северо-Кавказская операции. В апреле 1920 – августе 1921 во время советско-польской войны командовал Западным фронтом, потерпевшим тяжелое поражение от белополяков под Варшавой. Как позднее отмечалось в советской военной литературе, одной из причин этого поражения явился отказ командования Юго-Западного фронта (А.И.Егоров, Сталин) передать в оперативное подчинение Тухачевскому Первую конную армию. В марте 1921 командовал штурмом мятежного Кронштадта, где против монопольной власти коммунистов восстали моряки Балтийского фронта, в апреле – мае был командующим войсками Тамбовского района, выполнявшими задачу ликвидации массового крестьянского восстания (антоновщины). В годы Гражданской войны проявил как большие организаторские способности и военный талант, так и беспощадность при подавлении антисоветских выступлений.

После войны Тухачевский был назначен начальником Военной академии Рабоче-Крестьянской Красной Армии (РККА), с января 1922 по апрель 1924 – командующий Западным фронтом. Помощник, а с июля 1925 по май 1928 начальник Штаба РККА, принимал активное участие в проведении военной реформы 1924–1925. С мая 1928 командующий войсками Ленинградского военного округа. С 1931 заместитель наркома по военным и морским делам и председателя Реввоенсовета СССР, начальник вооружений РККА, с 1934 заместитель наркома обороны, с 1936 первый заместитель наркома обороны и начальник управления боевой подготовки.

Тухачевскому принадлежит большая заслуга в техническом перевооружении советской армии, развитии новых видов и родов войск – авиации, механизированных и воздушно-десантных войск, военно-морского флота, в подготовке командного состава. Он был инициатором создания ряда военных академий. Как военный деятель и теоретик уделял большое внимание прогнозированию характера будущей войны и разработке военной доктрины Советского Союза.

Уже в середине 1920-х годов органы государственной безопасности начали накапливать компромат на Тухачевского. Так, в 1930 были получены показания от некоторых близких Тухачевскому военных о его принадлежности к правой оппозиции. Существует версия о том, что нацистская разведка специально подготовила фальшивые документы (так называемая «Красная папка») о сотрудничестве Тухачевского с иностранными разведками и его планах военного переворота. Эти документы были доведены до сведения советского руководства через чехословацкого президента Э.Бенеша.

11 мая 1937 Тухачевский был снят с поста первого заместителя наркома обороны и назначен командовать войсками Приволжского военного округа. Через две недели был арестован, объявлен главой разветвленного военно-фашистского заговора в РККА. В состав «центра заговора», кроме Тухачевского, вошли командармы I ранга И.Э.Якир и И.П.Уборевич, комкоры А.И.Корк, Р.П.Эйдеман, Б.М.Фельдман, В.М.Примаков и В.К.Путна, а также покончивший жизнь самоубийством 30 мая 1937 начальник политуправления РККА армейский комиссар первого ранга Я.Б.Гамарник.

С 1 по 4 июня 1937 состоялось расширенное заседание военного совета при наркомате обороны с участием членов политбюро ЦК ВКП(б). Перед началом заседания Военного совета все его участники были ознакомлены под расписку с полученными при помощи физического воздействия «признательными показаниями» Тухачевского, Якира, Уборевича и других. Эти же сфальсифицированные показания широко цитировались К.Е.Ворошиловым в докладе, который он начал с утверждения, что «органами Наркомвнудела раскрыта в армии долго существовавшая и безнаказанно орудовавшая, строго законспирированная, контрреволюционная фашистская организация, возглавлявшаяся людьми, которые стояли во главе армии». На заседании Военного совета выступил Сталин. Сославшись на показания арестованных, он сделал вывод о том, что в стране был «военно-политический заговор против советской власти, стимулировавшийся и финансировавшийся германскими фашистами».

Следствие велось поспешно и было закончено уже 9 июня 1937, когда Генеральный прокурор СССР А.Я.Вышинский формально допросил обвиняемых. В тот же день, после приема у Сталина он подписал обвинительное заключение. 11 июня перед началом судебного процесса на приеме у Сталина были нарком внутренних дел СССР Н.И.Ежов и председатель военной коллегии Верховного суда СССР суда В.В.Ульрих.

Накануне суда следователям было поручено любыми способами убедить подследственных, чтобы они подтвердили на суде показания, данные ими на следствии, и заверить, что это облегчит их участь. Указания эти были выполнены. Следователи, фабриковавшие обвинение, сопровождали своих обвиняемых на суд, находились с ними в комнатах ожидания и в зале судебного заседания.

В процессе обработки обвиняемым разрешили обратиться с покаянными заявлениями на имя Сталина, который якобы помилует их. На одном из таких заявлений, написанном Якиром 9 июня 1937, Сталин написал: «подлец и проститутка». Ворошилов и В.М.Молотов присоединились к этому, причем Ворошилов написал:

«совершенно точное определение», а Л.М.Каганович приписал: «Мерзавцу, сволочи и б... одна кара – смертная казнь».

11 июня 1937 Специальное судебное присутствие Верховного суда СССР в составе В.В.Ульриха, маршалов Советского Союза В.К.Блюхера и С.М.Буденного, командармов Я.И.Алксниса, Б.М.Шапошникова, И.П.Белова, П.Е.Дыбенко и Н.Д.Каширина рассмотрело дело Тухачевского и других военачальников и приговорило их к расстрелу. Приговор был приведен в исполнение на следующий день.

Судебный процесс по делу Тухачевского и других был использован сталинским руководством для дальнейшего усиления репрессий в армии и на флоте. Так, только за девять дней после суда над Тухачевским и другими подверглись аресту как участники военного заговора 980 командиров и политработников, в том числе 29 комбригов, 37 комдивов, 21 комкор, 16 полковых комиссаров, 17 бригадных и 7 дивизионных комиссаров.

В 1957 Тухачевский был реабилитирован.