Родился в селе Никитино Рязанской губернии. По окончании кадетского корпуса и Академии Генерального штаба с 1857 г. находился на государственной службе в Восточной Сибири. Там образованного и исполнительного офицера замечает генерал-губернатор Н.Н. Муравьев и предлагает ехать вместе с ним на Амур. «Мечта моя быть на Амуре, представлявшем в то время крупный политический интерес, сбывалась. Лучшего поощрения к работе нельзя было бы сделать», – пишет в своем дневнике Венюков.

Михаил Иванович участвовал в сплавах по Амуру и Уссури. В 1857-1858 гг. возглавлял топографическую экспедицию на Амуре и в Приморье, провел топографическую съемку всех основанных к этому времени русских селений на левобережье Амура, в том числе Усть-Зейского поста (будущего Благовещенска), принял непосредственное участие в его строительстве. По предложению Н.Н. Муравьева обследовал один из наиболее крупных притоков Амура – мало изученную реку Уссури. Результатом сложной экспедиции явился отчет «Обозрение р. Уссури и земель к востоку от нее до моря», в котором М. Венюковым были детально обрисованы физическая география вновь открытого края и быт местного населения. В 1868-1900 годы Венюков совершает путешествия по разным странам и континентам, в числе которых: Япония, Китай, Турция, Индия, Северная Африка, а также исследует Тянь-Шань, Памир, Семиречье, Кавказ.     

М.И. Венюков – член нескольких географических обществ, автор оригинальных учебников по географии, этнографии, работ по истории России, Китая и т.д. В 1877 г. эмигрировал из России, в последние годы жизни  жил в Париже. В 1887 г. сделал доклад в Парижском географическом обществе о деятельности Общества изучения Амурского края, образованного во Владивостоке в 1884 г.

Задолго до своей смерти Венюков распорядился своим наследством. Все свое духовное достояние – книги, рукописи, карты, он завещал библиотеке Хабаровска – города, которого он ни разу не видел, но о котором знал, что он будет, знал, когда еще стоял на Амурском утесе. Свои скромные денежные сбережения он разделил между школами в селах Никитино и Венюково. Похоронен в Ницце.