Après avoir étudié le théâtre à l'École du Théâtre du Nouveau Monde et auprès de Tania Balachova, à Paris, dans les années 1950, elle fait ses débuts sur scène, puis sera bientôt présente à la télévision et au cinéma. Elle prête sa voix singulière, profonde et coupante, et son talent à plusieurs créations dont les Beaux Dimanches de Marcel Dubé (Comédie canadienne, 1965) où elle interprète Dominique, la fille moderne souhaitant se faire avorter, dont les parents bourgeois sont incarnés par Janine Sutto et Jean Duceppe; elle défend la révolutionnaire œuvre du poète exploréen Claude Gauvreau, les oranges sont vertes (TNM, 1972), sous la direction de Jean-Pierre Ronfard; elle irradie dans Sainte-Carmen de la Main de Michel Tremblay (Compagnie Jean Duceppe, 1976, et adaptation télévisée signée par le metteur en scène André Brassard en 1980) où elle joue le rôle de Carmen, une chanteuse western qui désire s'émanciper.
Son implication dans la création ne l'empêche pas de jouer les auteurs du répertoire : Racine, Claudel, Genet, Tchekhov. Elle met en scène une dizaine de pièces dont la Saga des poules mouillées de Jovette Marchessault (TNM, 1981). Après avoir enseigné à l'École nationale de théâtre (1971-1986), elle devient chef du Service du théâtre au Conseil des Arts du Canada (1986-88). Son passage à la direction du Théâtre d'Aujourd'hui, marqué par plusieurs succès, se termine par la création de la Peau d'Élisa de Carole Fréchette, où elle tient le rôle principal. Elle fait un retour sur les planches dans Tout comme elle, spectacle réunissant cinquante comédiennes sur scène, sous la direction de Brigitte Haentjens (Sibyllines, 2006).
Dès les années 1950, elle participe à de nombreux téléromans et séries télévisées : parmi ceux-ci, son personnage de Manouche dans le Survenant de Germaine Guèvremont (1955-1960) lui vaudra un prix d'interprétation. Elle joue également dans des téléthéâtres, dont Un simple soldat de Marcel Dubé (1957). Après quelques années d'absence du petit écran, elle revient dans le rôle de Véronique O'Neil dans le téléroman à succès Des dames de cœur (1986-1989) de Lise Payette, qui sera suivi par Un signe de feu (1989-1991) où elle reprendra le même personnage. Au cinéma, elle tourne une vingtaine de films, notamment avec Arthur Lamothe (Poussière sur la ville, 1965), le duo Tremblay-Brassard, Jean-Claude Labrecque, Thomas Vamos, Jean-Claude Lord, Jean Beaudin et Anne-Claire Poirier (la Quarantaine, 1982).
Michelle Rossignol a reçu le prix Victor-Morin de la Société Saint-Jean-Baptiste (1982), le trophée des Coopérants, le prix Gascon-Thomas de l'École nationale de théâtre (1992), et a été faite Officier de l'Ordre du Canada et Chevalier de l'Ordre national du Québec (2001).