После окончания института Михаил Леонтьевич Миль работал научным сотрудником ЦАГИ, где занимался вопросами аэродинамики автожиров.

Во время Великой Отечественной войны (август-октябрь 1941 г.) находился в действующей армии в качестве инженера корректировочной эскадрильи автожиров А-7.

В 1943—1947 гг. являлся научным сотрудником, затем начальником лаборатории в ЦАГИ. С 1947 г. назначен главным конструктором, с 1964 г. — генеральным конструктором КБ по вертолетостроению.

Под его руководством были созданы вертолеты одновинтовой схемы Ми-1, Ми-4, Ми-2, Ми-8, Ми-6, Ми-10, Ми-10К, вертолет поперечной схемы В-12, а также вертолет В-7 с реактивным приводом несущего винта.

М. Л. Миль придавал большое значение подготовке научно-педагогических и летных кадров для армейской авиации. Под его редакцией опубликована двухтомная книга «Вертолеты».

Наряду с другими известными конструкторами М. Л. Миль вел на инженерном факультете ВВИА им. проф. Н. Е. Жуковского преподавательскую работу, участвовал в руководстве дипломными проектами по вертолетной тематике, в подготовке научно-педагогических кадров.

Награжден 3 орденами Ленина, орденом Отечественной войны 2 степени, орденом Трудового Красного Знамени, орденом Красной Звезды и медалями.