Филолог и литературовед, активный участник движения шестидесятников. Племянница классика украинской литературы Михаила Коцюбинского (дочь его младшего брата Фомы).
Родилась 18 декабря 1931 года в Виннице, где ее отец создавал и руководил музеем писателя Михаила Коцюбинского. В 1935 году семья переехала в Чернигов, где её отец создал и возглавил музей Михаила Коцюбинского, в 1941 году семья была эвакуирована в Уфу.
В 1954 году окончила филологический факультет Киевского университета имени Т.Г. Шевченко по специальности "украинский язык и литература", там же – аспирантуру. Кандидат филологических наук (1958). Под руководством академика А.И. Белецкого защитила кандидатскую диссертацию "Поэтика Шевченко и украинский романтизм".
С ноября 1957 по 1968 год – младший научный сотрудник, старший научный сотрудник отдела теории литературы и шевченковедения Института литературы имени Т.Г. Шевченко АН УССР. Исследовала язык художественных произведений, поэтику Т.Г. Шевченко, художественную индивидуальность Коцюбинского, специфику образного мышления и его эволюцию в украинской литературе.
Михайлина Коцюбинская была также активным участником движения шестидесятников. Участница протеста после просмотра фильма Сергея Параджанова "Тени забытых предков" в кинотеатре "Украина" против арестов в 1965 году украинской интеллигенции. В 1966 году исключена из рядов КПСС, переведена в другой отдел Института литературы, её монография о Шевченко не была включена в план изданий. В 1968 году уволена из Института, как непрошедшая конкурс; почти год искала работу, учитывая негласный запрет на её трудоустройство.
В 1972 году начались регулярные допросы в КГБ, в частности, по делу Василия Стуса, которому на суде дала высокую характеристику. Направила письмо-протест главе КПУ В.В. Щербицкому, где требовала освободить из-под ареста Надежду Светличную. Обыденными были обыски, изъятие авторских статей, допросы. Не подписала совместное письмо-раскаяние с Зиновией Франко. В 1977 году – новая серия допросов по уголовным делам Николая Матусевича, Мирослава Мариновича, Василия Стуса.
В 1989 году избрана членом Союза писателей Украины. С 1992 года – старший научный сотрудник отдела рукописных фондов и текстологии Института литературы имени Т.Г. Шевченко НАН Украины. Была председателем редакционной коллегии академического собрания сочинений Стуса в 6-ти томах (1994-1997). В последние годы работала как составитель и комментатор над собранием сочинений Чорновила в 10 томах (издается с 2002 года).
Автор статей, эссе, воспоминаний, критически мемуарных исследований про В. Стуса, И. Светличного, П. Тычину, Е. Сверстюка, Н. Суровцеву, Б. Антоненко-Давидовича. Обладая особой интуицией, почувствовала возрастающий интерес к художественной документалистике, как к самостоятельному художественному явлению, и всесторонне проанализировала этот специфический вид словесного творчества. Тщательно изучала воспоминания, дневники, эпистолярии писателей. Опубликовала письма В. Стуса, Александра Олеся, Олега Ольжича, Василия Стефаника, Веры Вовк. Принимала активное участие в общественной жизни.
Скончалась 7 января 2011 года Похоронена на Байковом кладбище (участок № 33).
Лауреат Национальной премии Украины имени Тараса Шевченко (2009), Литературной премии имени Александра Белецкого (1993), Премии имени Василия Стуса (1994), Премии фонда Антонович (1996), Премии имени Елены Телиги (2001). Заслуженный деятель науки и техники Украины (декабрь 2001). Почетный доктор Национального университета "Киево-Могилянская академия" (2008). Награждена орденом княгини Ольги III степени (2006).