Участвовал в разработке автожиров А-7, А-12 и А-15, работал на автожирном заводе заместителем Николая Камова.
В годы Великой Отечественной войны, в 1941—1943 годах, Миль работал в эвакуации в посёлке Билимбай, в основном занимаясь усовершенствованием боевых самолётов, улучшением их устойчивости и управляемости; его деятельность была отмечена пятью правительственными наградами.
В декабре 1947 года М. Л. Миль стал главным конструктором опытного КБ по вертолётостроению, созданного на базе завода № 383 МАП.
Первая машина ГМ-1 (Геликоптер Миля-1), созданная в ОКБ, была поднята в воздух 20 сентября 1948 года на аэродроме Захарково лётчиком-испытателем Матвеем Карловичем Байкаловым.
В 1964 году Миль стал генеральным конструктором опытного КБ. Его коллективом были созданы вертолёты Ми-2, Ми-4, Ми-6, Ми-8, Ми-10, Ми-12, Ми-24 и др.
М. Миль умер 31 января 1970 года, не дожив до начала эксплуатации и триумфа первого советского ударного вертолёта Ми-24 (эта машина, произведенная в количестве более 3500 экземпляров, приняла участие в десятках конфликтов и состоит на вооружении многих стран; знаменитый «Крокодил» считается самым воюющим вертолетом в мире.