Nach dem Studium der Geschichte, Wirtschaftsgeschichte, Politischen Wissenschaften und Kommunikationswissenschaften in Bamberg, Erlangen, Norwich/England und Dijon/Frankreich, Lehrtätigkeit an der Universität Bamberg
Von 1996 bis 1998 Referent beim Deutschen Bundestag in Bonn und Berlin.
1999 Wechsel ins Wissenschaftsmanagement zur Leibniz-Gemeinschaft mit Sitz in Bonn, die ihn 2006 zu ihrem ersten Generalsekretär berief. Er baute zusammen mit den Präsidenten Frank Pobell, Hans Olaf Henkel und Ernst Theodor Rietschel die Leibniz-Gemeinschaft zu einer der vier großen deutschen außeruniversitären Wissenschaftsorganisationen auf und erwarb sich besonders Verdienste bei der Entwicklung des Evaluierungs- und Wettbewerbsverfahren der Leibniz-Gemeinschaft.
Während dieser Zeit habilitierte sich Klein 2005 an der Universität der Bundeswehr München wurde zum Privatdozenten ernannt, zunächst an der Universität der Bundeswehr München, 2007 an der Universität Bonn.
Seit 2013 ist Michael Klein außerplanmäßiger Professor an der Technischen Universität Berlin mit dem Schwerpunkten Wissenschafts- und Technikgeschichte, seit 2020 zudem Gastprofessor für Innovation & Technology Management an der HWR - Hochschule für Wirtschaft und Recht in Berlin.
Von 2010 bis 2017 leitete Klein als Generalsekretär und hauptamtlicher Vorstand die Geschäfte der acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften. In dieser Zeit gelang es zusammen mit den Präsidenten Reinhard Hüttl und Henning Kagermann die acatech als eine der führenden Einrichtungen im Bereich der wissenschaftlichen Politikberatung zu etablieren, deren Arbeiten besonders im Bereich der Digitalisierung (Industrie 4.0) national wie international Beachtung fanden.
Das IoT one mit Sitz in Shanghai führt Michael Klein auf Platz 79 der „Top 100 IoT Influencers“.
In den Jahren 2017 und 2018 war er für die Robert Bosch GmbH in Stuttgart und Berlin tätig und leitete die Zentralabteilung "Außenangelegenheiten, Regierungs- und Politikbeziehungen". Seit dem 1. August 2019 ist er Vorstandsvorsitzender der "Deutschen Allianz Meeresforschung e.V." in Berlin.
Michael Klein ist in zahlreichen wissenschaftlichen und wissenschaftspolitischen Gremien aktiv und ist Mitglied im Advisory Board der Exentis Group AG, Stetten/Schweiz, sowie im Verwaltungsrat der XLife Sciences in Zürich.