Родился 22 ноября 1965 г. в Копенгагене, Дания. В 1996 г. окончил театральную школу «Arhus Theatre School» и до середины 90-х годов работал в датской киноиндустрии.

После небольших ролей в фильмах «Кафе Гектор» (Cafe Hector) и «Бломстерфанген» (Blomsterfangen), созданных в 1996 г., в том же году он играет первую крупную роль — Тонни в фильме «Пушер» (Pusher). Затем для актера снова последовала череда малозаметных ролей. Первое признание публики он получил в 2000 г., сыграв в фильмах «Мерцающие огни» (Flickering Lights) и роль Аллана Фишера в датской полицейской серии «Rejseholdet».

В значительной степени известность актера выросла после того, как местные журналы удостоили его титула «самого сексуального мужчины Дании». Позитивные отзывы дома и за пределами Дании Мадс Миккельсен получил в 2002 г. после работы в отечественном фильме «Открытые сердца» (Open Hearts). Но уже в 2003 г., оторвавшись от датского кино, Мадс появляется в испанской комедии «Торремолинос 73». В следующем 2004 г. году он играет Тристана в историческом фильме «Король Артур» в ансамбле с такими известными актерами, как Клайв Оуен и Кира Найтли. После небольшого американского отступления Миккельсен вновь появляется в роли Тони в фильме «Пушер 2».

Настоящим прорывом для актёра стала главная роль в датском фильме «После свадьбы», за которую актёр был удостоен нескольких премий и номинаций за лучшее исполнение главной мужской роли различных кинофестивалей. В том же 2006-ом году Мадс вместе с Даниэлом Крэйгом принимает участие в работе над фильмом «Казино Рояль», из серии «бондианы». Там он убедительно сыграл злодея Ле Шифра, его игра не разочаровала поклонников, и, видимо, гарантировала актеру отсутствие недостатка ролей в будущем в его родной стране.

Роль мягкого воспитателя детского сада Лукаса в психологической драме Томаса Винтерберга «Охота» принесла Миккельсену приз за лучшую мужскую роль 65-го Каннского кинофестиваля.