Michèle Flournoy naît à Los Angeles. Son père, vétéran de la Seconde Guerre mondiale, travaille aux Paramount Studios d'Hollywood[1]. Sa mère a mené une carrière d'actrice et de chanteuse avant son mariage. Les parents de Michèle Flournoy divorcent durant son enfance, puis son père meurt alors qu'elle est âgée de 14 ans[2].
Sa mère subvient aux besoins de la famille et prend un appartement à proximité du district scolaire de Beverly Hills, dont les écoles sont réputées. Michèle Flournoy est scolarisée à la Beverly Hills High School. Elle effectue une année d'échange en Belgique en école secondaire, durant laquelle elle apprend le français[3].
Elle entre à l'université Harvard et envisage de devenir journaliste. La jeune femme a l'occasion de travailler pour le magazine Time pendant ses congés. Elle effectue un stage en France[3].
Au cours des années 1990, sous la présidence de Bill Clinton, Michèle Flournoy entre au département de la Défense[1]. Elle enseigne à l'Institute for National Strategic Studies (INSS) de la National Defense University (NDU), puis devient conseiller principal (« senior adviser ») au Center for Strategic and International Studies (CSIS). En 2007, elle fonde avec Kurt M. Campbell le think tankCenter for a New American Security(en) (CNAS) et en assure la présidence jusqu'en 2009[4]. Michèle Flournoy et Kurt Campbell sont les auteurs d'un document d'orientation intitulé The Inheritance and the Way Forward. Flournoy est démocrate. Elle est considérée comme une « pragmatique », qui préconise un emploi « raisonné » des forces armées[1],[2],[5].
De à , sous la présidence de Barack Obama, Michèle Flournoy exerce la fonction de sous-secrétaire à la politique de Défense (« Under Secretary of Defense for Policy », ou USDP), devenant la femme ayant atteint le niveau de responsabilités le plus élevé dans l'histoire du Pentagone. Elle fait figure de « chef de file » pour une nouvelle génération de femmes exerçant de hautes responsabilités au département de la Défense. Elle travaille avec Robert Gates, le secrétaire à la Défense désigné en 2006, puis avec son successeur Leon Panetta, nommé en 2011[1].
Très interventionniste sur les questions de politique extérieure, elle se prononce lors de son passage au gouvernement pour de fortes hausses des dépenses militaires. Elle présente par ailleurs un profil bipartisan, ce qui a conduit Donald Trump à envisager de la nommer adjointe de son secrétaire à la Défense James Mattis[6].