Mads Mikkelsen hemşire bir anne ve taksi şoförü bir babanın oğlu olarak dünyaya geldi. Kendisi gibi aktör olan kardeşi Lars Mikkelsen ile Nørrebro'da büyüdü. Jimnastikçi olarak eğitim aldı. Daha sonra Göteborg'da bale okulunda dans eğitimi aldı. Yaklaşık on yıllık profesyonel dansçı iken oyunculuk alanında kariyer yapmak için, 1996'da Århus Tiyatro Okulu'na gitti. Danimarka'nın en seksi adamı olarak nitelendirilen başarılı aktör, 3 filmden oluşan ünlü yönetmen Nicolas Winding Refn'ın suç-gerilim film serisi Pusher‘ın ilk iki filminde Tony adında bir uyuşturucu satıcısını canlandırarak Danimarka’da ün kazandı. İkinci "Pusher" filminde gösterdiği performans ile En İyi Erkek Oyuncu Bodil Ödülü, En İyi Erkek Oyuncu Robert Ödülü ve En İyi Erkek Oyuncu Zulu Ödülü’nü kazandı. 1999 senesinde senesinde Mikkelsen, tarzının dışına çıkarak yine Refn’in Bleeder adlı filminde çekingen kişilik bozukluğu yaşayan bir film uzmanı olan Lenny karakteriyle seyircilerinin karşısına çıktı. Peter Thorsboe’nin Danimarka televizyon serisi Rejseholdet‘te "Allen Fischer" karakterini 2000-2004 yılları arasında 32 bölüm boyunca oynadı. Mikkelsen'i uluslararası platformda tanıtan ilk rolü, Jerry Bruckheimer'ın yapımcılığını üstlendiği "King Arthur" (2004) isimli filminde canlandırdığı "Tristan" karakteri oldu. 2006 yılında gösterime giren bir James Bond filmi olan "Casino Royale" filminde uluslararası terör örgütlerine muhasebecilik yapan "Le Chiffre" hayat verdi. Bu filmlere kadar onlarca ödüle layık görülen aktör, 2012 yılında yer aldığı Danimarka yapımı "Jagten" (The Hunt) adlı filmde "Lucas" isminde sıradışı başrol karakteri oynadı. Bu performansı ile Cannes Film Festivali’nde En İyi Erkek Oyuncu ödülünü kazandı. Yine aynı yıl çok beğenilen ve Oscar adayı filmlerden olan tarihi drama türündeki "A Royal Affairs" filminde başrol oyuncusuydu. 2013 senesinde ise Bryan Fuller‘in yaratıcısı olduğu ünlü "Hannibal" adlı televizyon dizisinde, "Dr. Hannibal Lecter" karakterini canlandırmaya başladı. Bütün hayatı boyunca Kopenhag'da yaşayan Mikkelsen, 2012 yılında Hannibal'ın çekimleri için Toronto'ya gitmesi gerektiği için oraya taşındı. 2016'da Marvel'ın "Doktor Strange" adlı filminde "Benedict Cumberbatch", Rachel McAdams ve Tilda Swinton ile birlikte başrolde yer aldı. Rihanna'nın "Bitch Better Have My Money" klibinde oynadı. 2016'da 69. Cannes Film Festivali'nde jüri üyeliği yaptı. Star Wars film serisinin ilk antoloji ve ilk bağımsız filmi olan "Rogue One: Bir Star Wars Hikayesi" filminde "Galen Erso" karakterini canlandırdı. 1987 yılından beri sevgilisi olan koreografici Hanne Jacobsen ile 2000 yılında evlendi. Viola ve Carl adlarında iki çocukları vardır.