Urodził się 14 grudnia1901 r. w Tarnopolu. Po ukończeniu gimnazjum wstąpił do odradzającego się Wojska Polskiego. W 1919 r. rozpoczął studia na Wydziale Filozoficznym Uniwersytetu Jana Kazimierza we Lwowie; wkrótce zamienił je na historię sztuki. Później zgłębiał archeologię klasyczną w Berlinie, Rzymie, Heidelbergu, Atenach i Paryżu. W 1924 r. doktoryzował się w zakresie sztuki starożytnej i archeologii klasycznej. W 1931 r. został profesorem Uniwersytetu Warszawskiego. Stworzył Katedrę Archeologii Śródziemnomorskiej.
„Ogłoszenie w «Dzienniku Ustaw» magisterium z archeologii zostało powitane przede wszystkim przez moich przyjaciół z Wydziału Humanistycznego Uniwersytetu Warszawskiego jako mój osobisty sukces […]. Już wówczas spotykaliśmy się codziennie na wykładach w kawiarni u Lourse’a na Krakowskim Przedmieściu i stolik nasz zyskał sobie trwałe miejsce w dziejach kultury intelektualnej Warszawy lat trzydziestych” – wspominał profesor.
W latach 1936–1939 wspólne z archeologami francuskimi prowadził w Edfu w Egipcie wykopaliska, które przyniosły mu międzynarodowe uznanie. Współorganizował dział sztuki starożytnej w Muzeum Narodowym w Warszawie.
We wrześniu 1939 r. Kazimierz Michałowski, porucznik 5 Pułku Piechoty Lekkiej, uczestniczył w kampanii wrześniowej, którą zakończył w Oflagu II C Woldenberg. Po wojnie odznaczono go Srebrnym Krzyżem Virtuti Militari. Podczas pięciu lat niewoli prowadził wykłady z archeologii dla uwięzionych kolegów oficerów. W oflagu otrzymał paczkę zawierającą daktyle, podarunek od szefa robotników, z którym współpracował w Edfu. Ten dar był dowodem serdecznych więzi, jakie nawiązywał ze współpracownikami, także miejscowymi.
W 1945 r., po zakończeniu wojny, przyjechał do Podkowy Leśnej, gdzie mieszkała jego asystentka i tutaj, podczas Świąt Wielkiejnocy poznał w zaprzyjaźnionym domu Krystynę Baniewicz. Podczas Świąt Bożego Narodzenia wzięli ślub u św. Anny w Warszawie. Żona później towarzyszyła mu w wyprawach naukowych jako rysowniczka i dokumentalistka.
Po powrocie z obozu włączył się w odbudowę życia naukowego jako dziekan Wydziału Humanistycznego UW. Lata 1946–1949 to czas prac organizacyjnych, które zajmowały go jako prorektora. W 1956 r. utworzył Zakład Archeologii Śródziemnomorskiej PAN, którym kierował do przejścia na emeryturę (1973). Był autorem nazwy „archeologia śródziemnomorska”, łączącej archeologię klasyczną z egiptologią. W latach 1956–1959 prowadził wykopaliska w Mirmeki na Krymie, w 1957 r. wznowił badania w Egipcie i założył w Kairze Polską Stację Archeologii Śródziemnomorskiej (1959).
Polscy archeolodzy pod kierunkiem prof. Michałowskiego badali stanowiska w Palmyrze (1959) i Aleksandrii (od 1960). Odkryli świątynię Totmesa III w Deir el-Bahari (od 1961), prowadzili wykopaliska w Dongoli (od 1964), Nea Paphos (od 1965). Autorytet profesora sprawił, że wybrano go w 1961 r. na przewodniczącego Międzynarodowego Komitetu Ekspertów do spraw Ratowania Skalnych Świątyń Abu Simbel, zagrożonych zalaniem podczas budowy drugiej tamy asuańskiej. Pozostał nim do 1970 r. Podczas wykopalisk w Faras odkrył katedrę koptyjską z pięknymi wczesnochrześcijańskimi freskami. Część fresków składa się obecnie na odrębną galerię, jedyną tego rodzaju w Europie, eksponowaną w Muzeum Narodowym w Warszawie.
„Był człowiekiem stanowczym, wiedział, czego chce. Miał niepodważalną pozycję i był doskonałym dyplomatą. Nigdy nie poszedł na żadne kompromisy polityczne […]. Polska Stacja Archeologiczna w Kairze była zawsze wyłącznie placówką naukową […]. Codziennie o siódmej rano szedł pierwszy na wykop” – wspominał dr Stefan Jakobielski, adiunkt i kierownik Pracowni Nubiologii Zakładu Archeologii Śródziemnomorskiej PAN.
Pomiędzy kolejnymi wyprawami archeologicznymi profesor mieszkał i pracował w Warszawie, do Podkowy przyjeżdżał na niedziele. Tutaj powstały najbardziej znane jego książki: Nie tylko piramidy, Od Edfu do Faras, Jak Grecy tworzyli sztukę.
„Prawdziwie rodzinną, ciepłą atmosferę zapewniał prof. Michałowski współpracownikom w domu swoich teściów w Podkowie Leśnej pod Warszawą. w domu tym mieściły się przez pewien czas [od listopada 1962 do kwietnia 1997] zbiory dokumentacji naukowej wykopalisk i biblioteka Zakładu Archeologii Śródziemnomorskiej PAN. Prof. Michałowski pracował przez cały tydzień w Warszawie w Muzeum Narodowym, w którym był od 1939 r. zastępcą dyrektora. Do Podkowy przyjeżdżał na weekendy. Sobotnie przedpołudnia z profesorem i jego żoną, spędzone na dyskusjach przy kawie, były dla młodszych współpracowników inspiracją i tworzyły więź nie tylko intelektualną, ale też emocjonalną” – wspominała Krystyna Polaczek z Centrum Archeologii Śródziemnomorskiej UW.
Od 1972 r. pełnił funkcję prezesa International Society for Nubian Studies. Do ostatnich dni był aktywny zawodowo. Zmarł 1 stycznia 1981 r. w Warszawie i został pochowany w rodzinnym grobie na cmentarzu brwinowskim.