Михаил Валентинович Ковальчук родился в Ленинграде 21 сентября 1946 года. Окончил физический факультет Ленинградского государственного университета в 1970 году. В 1988 году получил степень доктора физико-математических наук, а в 1998-м — профессора. В 2000 году был удостоен звания члена-корреспондент РАН.
Михаил Ковальчук — ведущий учёный в области рентгеновской физики, кристаллографии и ядерно-физических методов исследований, один из идеологов и организаторов развития нанотехнологий в России. Он заложил основы метода стоячих рентгеновских волн для изучения структуры вещества, руководил вводом в эксплуатацию единственного в РФ синхротрона «КИСИ-Курчатов», создал новое поколение прецизионного рентгеновского оборудования для изучения структуры поверхности и определения положения отдельных атомов.
Выступая идеологом и организатором развития национальной сети установок класса мегасайенс как базы для развития междисциплинарной инфраструктуры исследований, он создал концепцию природоподобной техносферы на основе конвергенции наук и технологий, уникальный Курчатовский комплекс НБИКС-природоподобных технологий. Там под его научным руководством идут исследования по конвергенции современных технологий с «конструкциями» живой природы.
Михаил Валентинович Ковальчук — полный кавалер ордена «За заслуги перед Отечеством» (2006, 2011, 2016, 2018).
Он лауреат премии Правительства Российской Федерации в области науки и техники (2007), премии Правительства Российской Федерации в области образования (2012).
С 1998 по 2013 год — директор Института кристаллографии имени А.В. Шубникова РАН. В 2005–2010 годах — директор РНЦ «Курчатовский институт».
С 2010 по 2015 год — основатель и первый директор НИЦ «Курчатовский институт», с 2015 года — президент НИЦ «Курчатовский институт».
С 2001 года — член Совета при Президенте Российской Федерации по науке и образованию: с 2001 по 2015 год — учёный секретарь, с 2015 года — член Президиума.
Михаил Ковальчук активно занимается не только научной, но и просветительской деятельностью. Он автор и ведущий научно-популярных телевизионных циклов «Истории из будущего», выходившего с 2007 по 2018 год, и «Картина мира с Михаилом Ковальчуком», идущего с 2018 года по сей день. Также под его руководством НИЦ «Курчатовский институт» развивает такое междисциплинарное направление, как изучение культурного наследия естественно-научными методами, занимается историей науки, советского атомного проекта, организует просветительские и выставочные проекты как на площадке Дома учёных имени академика А.П. Александрова, так и в сотрудничестве с ведущими музеями и гуманитарными институтами страны.