1889–1895 m. mokėsi Vilniaus gimnazijoje, vėliau studijavo teisę Sankt Peterburge, lankė privačias dailės studijas. 1899–1901 m. Miunchene studijavo pas A. Ažbę ir Š. Hološį, 1901 m. pas Sankt Peterburgo dailės akademijos profesorių V. Matę.

Nuo 1903 m. M. Dobužinskis pradėjo dalyvauti didžiuosiuose Europos miestuose (Paryžiuje, Berlyne, Briuselyje, Romoje, Leipcige ir kt.) rengiamose parodose. 1906–1910 m. dėstė Sankt Peterburgo E. Zvancevos piešimo ir tapybos mokykloje. 1918–1923 m. buvo Sankt Peterburgo dailės akademijos dėstytojas, nuo  1922 m. – profesorius.
1925 m. ir 1929–1939 m. gyveno Lietuvoje, kur surengė apie 11 personalinių parodų Vilniaus, Kauno, Klaipėdos, Šiaulių, Panevėžio miestuose. 1939 m. M. Dobužinskis išvyko į Londoną rengti savo tapybos parodos. Tačiau prasidėjus Antrajam pasauliniam karui į Lietuvą nebegrįžo; gyveno Didžiojoje Britanijoje, Jungtinėse Amerikos Valstijose, Prancūzijoje, Italijoje.
Sukūrė Sankt Peterburgo, daug tapybinių ir grafinių Vilniaus (ciklas „Vilniaus vaizdai“, 1903–1914), Kauno peizažų. Apipavidalino ir iliustravo knygų (H. K. Anderseno „Kiauliaganys“, 1922; F. Dostojevskio „Baltosios naktys“, 1923; Balio Sruogos „Giesmė apie Gediminą“, 1938), sukūrė ekslibrių, plakatų, scenovaizdžių Maskvos dailės teatrui, Valstybės teatro spektakliams.
Kūriniams būdingas lyrizmas, retrospektyvizmas, dekoratyvumas, raiškios, dažnai frontalios kompozicijos, meistriškas kontūrinis piešinys, santūrios spalvos; ankstyvieji kūriniai turi moderno bruožų. Kūryba darė didelę įtaką lietuvių dailei, ypač scenografijai, grafikai.

Kūrinių turi Lietuvos, Rusijos, Prancūzijos muziejai.