10 апреля 2005 года, за три дня до своего семидесятилетия, принял крещение по православному обряду. Умер 7 ноября 2005 года. Похоронен рядом с матерью на Миусском кладбище в Москве.
Окончил среднюю школу № 12 г. Москвы (1952) и классическое отделение филологического факультета МГУ (1957); одногруппник пушкиниста В. С. Непомнящего. Кандидат филологических наук (1963, диссертация «Античная литературная басня»), доктор филологических наук (1979, в качестве диссертации представлена монография «Современный русский стих: метрика и ритмика»), член-корреспондент АН СССР с 15 декабря 1990 года по Отделению литературы и языка (литературоведение), академик РАН с 11 июня 1992 года. В 1957—1990 годах — сотрудник сектора античной литературы ИМЛИ АН СССР, в 1971—1981 годах — руководитель сектора, участвовал в работе Московско-тартуской семиотической школы и математико-филологического кружка академика А. Н. Колмогорова. Один из организаторов и профессор кафедры истории и теории мировой культуры философского факультета МГУ (1990—1994 и с 1997), преподавал также в Литературном институте им. А. М. Горького.
С 1990 года — главный научный сотрудник сектора стилистики и языка художественной литературы Института русского языка РАН, с 1992 года одновременно работал в Институте высших гуманитарных исследований РГГУ. В 2002—2005 годах заведовал отделом структурной лингвистики и лингвистической поэтики ИРЯ РАН, сменив на этой должности В. П. Григорьева.
Лауреат Государственной премии России в области литературы (1994, за книги «Авсоний. Стихотворения» и «Русские стихи 1890-х — 1925-го годов в комментариях»), премии «Иллюминатор» (1995), Малой премии Букера (1997; за сборник «Избранные статьи»), премии Андрея Белого (1999; за книгу «Записи и выписки»). В 2004 году М. Л. Гаспарову была присуждена академическая премия им. А. С. Пушкина за «Избранные труды» (том 1 «О поэтах»; том 2 «О стихах»; том 3 «О стихе»).
Председатель Мандельштамовского общества, главный редактор «Мандельштамовской энциклопедии»; многолетний член редколлегий «Литературных памятников», «Трудов по знаковым системам», «Библиотеки античной литературы», реферативного журнала «Литературоведение», журналов «Известия РАН. Серия литературы и языка», «Вестник древней истории», «Arbor Mundi» («Мировое древо», Москва, РГГУ), «Elementa» (США), «Rossica Romana» (Италия) и др.
По словам литературоведа Омри Ронена, «Гаспаров был человек твердых мнений и расставаться с ними не любил». В последние годы М. Л. Гаспаров опубликовал, помимо традиционных, ряд «экспериментальных» переводов («Неистового Роланда» Л. Ариосто, французской и немецкой поэзии XVIII—XX веков), вызвавших неоднозначные оценки.