Figlio di Andronico Paleologo e di Teodora Paleologa, nipote di Alessio III Angelo, nacque nel 1223.
Nel 1258, alla morte dell'imperatore Teodoro II Lascaris, Michele riuscì ad essere associato al giovane Giovanni IV Lascaris, legittimo erede al trono.
In quel periodo l'impero era diviso dopo la caduta di Costantinopoli ad opera dei crociati del 1204 e la continuità politica ed ideologica con lo stato bizantino era riconosciuta all'impero di Nicea che nei decenni precedenti Giovanni III Vatatze aveva esteso ai danni dei Latini.
Michele Paleologo, dopo qualche tempo, fece accecare Giovanni IV e lo allontanò dal potere usurpando il trono.
Per legittimare le proprie azioni si impegnò nella riconquista di Costantinopoli, impresa che gli riuscì nel 1261. Restaurato l'impero bizantino, sconfisse il principato di Morea conquistando nuovi territori mentre fallirono le sue imprese contro Bulgari e Veneziani.
Veneziani e Angioini di Sicilia lo attaccarono per ripristinare l'impero latino d'Oriente ma varie circostanze, fra cui lo scoppio dei Vespri Siciliani, giocarono a favore di Michele VIII e del suo impero appena rifondato.
Michele morì a Costantinopoli l'11 dicembre 1282 lasciando il trono al figlio Andronico II Paleologo.
Capostipite della dinastia dei Paleologi che resse il potere fino alla caduta dell'impero nel 1453, Michele VIII ebbe sette figli dalla moglie Teodora Ducaina Vatazina: Manuele, Andronico II, Costantino, Irene, Eudokia e Teodora.
Ebbe inoltre due figlie illegittime da un'amante: Eufrosina Paleologa e Maria Paleologa.

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Vedi anche:

Cronologia degli Imperatori di Bisanzio

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