Народився в селянській сім'ї. 1913 закінчив вечірнє міське чотирикласне училище. Працював конторником у Санкт-Петербурзькому товаристві страхувань і рахівником у Товаристві заводчиків і фабрикантів. У 1914—1916 рр. навчався на вечірніх загальноосвітніх курсах. На початку 1917 р. Артамонова призвали в армію. З ентузіазмом зустрів Лютневу революцію 1917. У лютому 1917 р. вибрано членом Ради солдатських депутатів. Невдовзі добровольцем пішов на фронт. Брав участь у боях на Західній Двіні.
У грудні 1917 р. демобілізувався. Його відкликали в Петроград на роботу в націоналізованому Міжнародному банку. З літа 1918 р. і до кінця 1920 р. працював у Красному Холмі (нині Тверської області) в органах народної освіти: був завідувачем школи, викладачем.
1948—1951 — проректор Ленінградського університету (водночас від 1949 — завідувач кафедри археології).
1951—1964 — директор Державного Ермітажу. У 1958 р. відновив видавництво Ермітажу. Під його керівництвом створено нову серію видань — «Археологічний збірник» Державного Ермітажу (відповідальний редактор перших дев'яти випусків).
За 13 років роботи директором Ермітажу проявив себе як винятково талановитий і відданий музейній справі адміністратор. Його завжди відрізняла принциповість і самостійна позиція з найгостріших питань. У розріз з офіційною ідеологією Артамонов захоплювався сучасним живописом. При його підтримці в Ермітажі було організовано виставку робіт Пабло Пікассо, вдалося зберегти роботи класиків імпресіонізму.
У період «відлиги» опікувався репресованими дослідниками, котрі повернулися з ув'язнення. Серед них Лев Гумільов.
Приводом для відставки Артамонова стала позамузейна виставка робіт Михайла Шемякіна.
Після відставки повністю зосередився на викладацькій роботі на історичному факультеті Ленінградського університету. Помер, як і належить справжньому вченому, — прямо за робочим столом, редагуючи наукову статтю.
1929 р. провів першу самостійну експедицію — розвідку на Нижньому Дону. За результатами дослідження переконливо ідентифікував з лівобережним Цимлянським городищем відоме за письмовими джерелами місто Саркел (розкопки проведено в 1934—1936 рр.).
1934 р. за статтю «Спільні поховання в курганах зі скороченими та пофарбованими кістяками» Артамонову без захисту дисертації надали ступінь кандидата історичних наук. Від 1935 р. — професор. 25 червня 1941 р. захистив докторськудисертацію на тему «Скіфи. Нариси з історії Північного Причорномор'я».
Керував археологічними експедиціями: 1946—1948 — Південно-Подільською, 1949—1951 — Волго-Донською (в зоні будівництва Волго-Донського каналу).
Венеды, невры и будины в славянском этногенезе // Вестник Ленинградского университета. — 1946. — № 2.
Происхождение славян. — Ленинград, 1950.
Некоторые итоги пятилетних исследований Юго-Подольской археологической экспедиции // Краткие сообщения Института археологии АН УССР. — 1955. — Выпуск 4.
Саркел — Белая Вежа // Материалы и исследования по археологии СССР. — Т. 62. — Ленинград, 1958.
История хазар. — Ленинград, 1962. Книга стала класичною. Перевидано 2001, 2002.
Сокровища скифских курганов в собрании Государственного Эрмитажа. — Прага, 1966.
Вопросы расселения восточных славян и советская археология // Проблемы всеобщей истории. — Ленинград, 1967.
Загадки скіфської археології // Український історичний журнал. — 1970. — № 1.
Киммерийцы и скифы: От появления на исторической арене до конца IV в. до н. э. — Ленинград, 1974.
Искусство скифов // Триста веков искусства. Искусство Европейской части СССР. — Москва, 1976.
Баженов Л. В. Поділля в працях дослідників і краєзнавців XIX—XX ст. Історіографія. Біобібліографія. Матеріали. — Кам'янець-Подільський, 1993. — С. 115—116.
Мезенцева Г. Дослідники археології України: Енциклопедичний словник-довідник. — Чернігів, 1997.
Большая Советская Энциклопедия. — 3-е издание. — Т. 2. — М., 1970. — С. 258.
Большой Энциклопедический Словарь. — Т. 1. — М., 1991. — С. 76.
Публікації в журналах і збірниках
Л. С. Клейн, Шилов В. П. Выдающийся исследователь скифской культуры // Вестник древней истории. — 1968. — № 4.
Л. С. Клейн К семидесятилетию М. И. Артамонова // Советская археология. — 1968. — № 4.
Артамонов Михаил Илларионович: Некролог // Советская археология. — 1973. — № 2.
Всевцов Л. М., Левина Р. Ш. Список печатных трудов М. И. Артамонова. Литература о М. И. Артамонове // Проблемы археологии. — 1978. — Выпуск 2.
Фроянов И. Я., Дубов И. В., Носов Е. Н. М. И. Артамонов: К 90-летию со дня рождения // Вестник Ленинградского университета. — Серия 2: История, языкознание, литература. — 1988. — Выпуск 4.
Пиотровский М. Б. М. И. Артамонов в Эрмитаже // Скифы. Хазары. Славяне. Древняя Русь: Международная научная конференция. — Санкт-Петербург, 1998. — С. 17—18.
Столяр А. Д. Триада жизнедеятельности М. И. Артамонова // История и культура древних и средневековых обществ. — Санкт-Петербург, 1998. — С. 7—32.