Родился в селе Большие Студёнки Липецкого уезда Тамбовской губернии (ныне часть Липецка) в семье крестьянина. В феврале 1919 года добровольно вступил в Красную армию и был зачислен красноармейцем в дивизион воздушных кораблей «Илья Муромец» как подвозчик бензина, помощник авиамеханика. В составе дивизиона участвовал в Гражданской войне, сражался с конницей генерала К. К. Мамонтова и войсками генерала П. Н. Врангеля. После окончания Гражданской войны демобилизован и работал шофёром и грузчиком в Москве.
В июле 1924 года принят мотористом в мастерские Всероссийского добровольного общество воздушного флота («Добролёт»). Кроме специальности моториста освоил профессию бортмеханика. В 1928 году окончил лётную школу «Добролёта», сдал экзамены на звание пилота 3-го класса и стал работать пилотом Гражданского воздушного флота. В 1929 году окончил Московскую лётно-техническую школу. В качестве бортмеханика, а затем и лётчика «Добролёта» участвовал в экспедициях по борьбе с саранчой на Северном Кавказе и в Казахстане. С 1929 года работал в управлении Дальневосточных воздушных линий «Трансавиация» общества «Добролёт» в Хабаровске и первым освоил пассажирскую воздушную линию на остров Сахалин. Затем работал пилотом 1-го класса в лётном отряде газеты «Правда», доставлявшем газетные матрицы в крупнейшие города СССР. Позднее летал на гражданских самолётах по дальним воздушным трассам. В 1932 году переведён на Каспийское море, затем работал командиром корабля 1-й категории в особом отряде Транспортной авиации Главсевморпути. Зимой 1933 года в испытательном перелёте из Москвы до Петропавловска-Камчатского его самолет потерпел аварию на озере Байкал; бортмеханик погиб, а Водопьянов получил сотрясение мозга и множественные переломы.
В декабре 1933 года в составе особого отряда Главсевморпути принимал участие в поиске и спасении членов экспедиции и экипажа затонувшего в Арктике парохода «Челюскин». Трижды летал из Анадыря к терпящим бедствие и вывез 10 человек. За проявленное мужество и героизм 20 апреля 1934 года ему и Анатолию Ляпидевскому, Василию Молокову, Николаю Каманину, Маврикию Слепнёву, Ивану Доронину и Сигизмунду Леваневскому было присвоено звание Героев Советского Союза. В 1936–1937 годах М. В. Водопьянов совершал полёты в Арктику и участвовал в освоении полярных районов СССР. Впервые в мире 21 мая 1937 году произвёл посадку самолёта в районе Северного полюса, доставив туда дрейфующую станцию. С февраля 1938 года был начальником Управления полярной авиации Главного управления Северного морского пути при СНК, с декабря он пилот 1-го класса в Московской авиагруппе особого назначения Управления полярной авиации. В должности командира тяжёлого бомбардировщика ТБ-3 участвовал в Советско-финляндской войне, совершил несколько боевых вылетов.
В июле 1941 года из Управления полярной авиации переведён в ВВС и назначен командиром 81-й авиационной дивизии дальнего действия. В ночь с 10 на 11 августа 1941 года лично участвовал во 2-м авианалёте на Берлин. Его бомбардировщик был подбит и совершил вынужденную посадку на оккупированной территории Эстонской ССР, но Водопьянов сумел вернуться через линию фронта. За потерю 7 самолётов из 14 его освободили от должности командира дивизии. В дальнейшем продолжал совершать боевые вылеты в качестве рядового лётчика. В апреле 1943 года ему присвоено воинское звание генерал-майора авиации. С сентября 1943 года находился в распоряжении командующего авиацией дальнего действия, позже командования 18-й воздушной армии.
В феврале 1946 года по болезни уволен в запас. В 1948–1950 годах участвовал в высокоширотных экспедициях «Север». Активно занимался литературной деятельностью, состоял в Союзе писателей СССР. Похоронен в Москве на Троекуровском кладбище. Награждён четырьмя орденами Ленина, четырьмя орденами Красного Знамени, орденом Отечественной войны 1-й степени, медалями.