Michael Peña commence sa carrière cinématographique en 1994 avec des films indépendants - tels queBoogie Boy - puis surtout des rôles récurrents dans des séries télévisées à succès, commeFelicity (1999-2000) ouUrgences (2003).
L'année 2004 lui permet enfin de percer : il fait partie de la distribution chorale du mélodrameCollision puis tient un second rôle dans un autre succès critique et commercial, le drameMillion Dollar Baby, réalisé parClint Eastwood. Il enchaîne alors avec un rôle récurrent dans la quatrième saison de l'acclamée série policièreThe Shield et tourne deux films indépendants.
Ayant prouvé sa valeur, l'acteur tient un second rôle dans la flamboyante comédie dramatiqueAmerican Bluff (2013), deDavid O. Russell puis incarneCésar Estrada Chávez pour le biopic indépendantCesar Chavez: An American Hero (2013). Il confirme en faisant partie de la distribution du westernFrontera (2014), aux côtés de Ed Harris et Eva Longoria, puis en retrouvantDavid Ayer, le réalisateur deEnd of Watch, pourFury (2014), drame militaire avecBrad Pitt. La même année, l'acteur fait partie de la distribution de la mini-sérieGracepoint.
AuQuébec, Gabriel Lessard[5] est la voix régulière de l'acteur.Hugolin Chevrette-Landesque[5] et Frédéric Paquet[5] l'ont également doublé respectivement à quatre et trois reprises.