Inicià els seus estudis després de la guerra civil de 1936-39, a la presó, i el 1959 es doctorà en filosofia i lletres. És autor, entre altres obres, de Fonética histórica vasca (1961) i Lenguas y protolenguas (1963). Una selecció de la seva extensa obra en èuscar ha estat recollida a Mitxelenaren idazlan hautatuak (‘Obres escollides de Mitxelena’, 1972). Màxima autoritat mundial en el camp de la lingüística basca, sota la seva direcció hom dugué a terme la unificació de l’èuscar literari. Signà les obres en castellà Luis Michelena. Fou membre de l’Euskaltzaindia (Acadèmia de la Llengua Basca). Fou investit doctor honoris causa per la Universitat de Bordeus i per la Universitat Autònoma de Barcelona, entre d’altres.