Nel 2005, Michael Stuhlbarg è stato candidato al Tony e ha vinto il Drama Desk per l'interpretazione di The Pillowman di Martin McDonagh, diretto da John Crowley. Inoltre ha vinto anche i premi New Dramatists Charles Bowden Actor e Elliot Norton Boston Theatre per l'interpretazione di Long Day's Journey into Night. Restando ai palcoscenici di Broadway, ricordiamo le produzioni del National Actors Theatre quali Saint Joan, Three Men on a Horse, Timon of Athens, e The Government Inspector; Taking Sides, di Ronald Harwood diretto da David Jones; il revival di Sam Mendes di Cabaret; e The Invention of Love di Tom Stoppard, diretto da Jack O'Brien. Passando al New York Shakespeare Festival Stuhlbarg ha interpretato tra gli altri La dodicesima notte, nei panni di Aguecheek, e Riccardo II, nei panni del protagonista. Inoltre ha interpretato numerosi spettacoli nei palcoscenici di off-Broadway calandosi nei panni del protagonista nella messa in scena di Oskar Eustis di Amleto, per la quale ha vinto un premio Drama League; ricordiamo anche The Voysey Inheritance di David Warren per il quale ha ottenuto le candidature ai premi Obie, Callaway e Lucille Lortel. Inoltre, sempre a off-Broadway, ha interpretato spettacoli quali Cymbeline; The Waverly Gallery; Old Wicked Songs, per il quale ha vinto il premio Drama League e The Grey Zone. Quando l'autore dell'ultimo spettacolo di cui sopra, Tim Blake Nelson, ha adattato e diretto una versione cinematografica dello spettacolo, Stuhlbarg ha avuto un ruolo nel film anche se diverso da quello che aveva interpretato a teatro. Passando al cinema, ricordiamo il film diretto da Ridley Scott Body of Lies, con Leonardo DiCaprio; A Price Above Rubies di Boaz Yakin; Afterschool di Antonio Campos, presentato nel 2008 ai festival di New York e Cannes e che uscirà nelle sale tra breve; Cold Souls di Sophie Barthes con Paul Giamatti e David Strathairn; e il cortometraggio di Martin Scorsese, omaggio a Alfred Hitchcock, The Key to Reserva. Di recente è tornato a lavorare con Scorsese, interpretando l'episodio pilota per la televisione via cavo appena completato, Boardwalk Empire. Ricordiamo infine le sue memorabili apparizioni in serie televisive quali Damages e di recente, Ugly Betty. Stuhlbarg ha conseguito un BFA alla The Juilliard School. Inoltre ha studiato alla UCLA; al conservatorio di Vilnius, in Lituania nel dipartimento di studi su Chekhov; alla British-American Drama Academy di Baliol e al Keble Colleges di Oxford; e ha anche avuto una borsa di studio per studiare con Marcel Marceau.
Saranno i Coen a dargli la notorietà grazie al personaggio di Larry Gopnik in A Serious Man del 2009. Torna nel 2011 in Hugo Cabret di Scorsese e nel 2012 in Men in Black 3 di Barry Sonnenfeld e nel film di Sacha Gervasi Hitchcock, sulla realizzazione del film Psyco da parte del regista inglese.
In seguito reciterà per Woody Allen in Blue Jasmin e per Danny Boyle nel film Steve Jobs. Il 2016 lo vede invece impegnato in diverse opere: Doctor Strange, Arrival di Denis Villeneuve e il thriller politico Miss Sloane di John Madden. Lavora per Guadagnino sia in Chiamami col tuo nome sia in Bones and All.