محمد معین در روز ۹ اردیبهشت ۱۲۹۷ در محله زرجوب رشت به دنیا آمد. پدرش شیخ ابوالقاسم از روحانیان شهر رشت بود. بر طبق صفحهٔ اول دستخطی که وی دربارهٔ زندگی خود نوشته، تاریخ تولد وی ۱۷ رجب سال ۱۳۳۲ (قمری) برابر با ۲۱ جوزای سال ۱۲۹۳ است. در متن دانشنامهٔ دکتری سال تولَد وی ۱۲۹۱ ذکر شده‌است؛ ولی در نوشتهٔ قاب‌شده‌ای که در خانهٔ وی و در اتاق کارش به دیوار آویخته‌است تاریخ تولد او دوشنبه ۹ اردیبهشت ۱۲۹۷ نوشته شده‌است.
او که اولین فرزند خانواده بود، در سن شش سالگی مادرش را بر اثر بیماری حصبه از دست داد و پنج روز بعد از فوت مادر، پدرش نیز به سبب همین بیماری درگذشت. بیماری حصبه در رشت شیوع یافته و در آن سال ۲۸ هزارنفر را از بین برده بود. جد پدری او شیخ محمدتقی معین‌العلما که در سلک علمای روحانی بود، به تربیت وی همت گذاشت. محمد معین ترقیات علمی و معنوی خود را مدیون او می‌دانست. جد مادری او شیخ محمد سعیر نیز از علما و مدرسان علوم قدیمه بود.
او در سال ۱۳۰۴ دوره شش ساله ابتدایی در دبستان اسلامی رشت را ظرف دو سال پایان رساند. دوره اول متوسطه را در دبیرستان نمره ۱ رشت (که بعدها به نام دبیرستان شاهپور خوانده شد) به اتمام رساند و دوره دوم متوسطه را در رشته ادبی در دبیرستان دارالفنون تهران به پایان رساند. در اوان تحصیل در دبیرستان، صرف و نحو عربی و بخشی از علوم قدیمه را نزد پدربزرگش و مرحوم سید مهدی رشت‌آبادی فرا گرفت. در سال ۱۳۱۰ در دانشسرای عالی در رشته ادبیات و فلسفه علوم تربیتی به تحصیل پرداخت. در سال ۱۳۱۳ با نوشتن پایان‌نامه‌ای به زبان فرانسه در مورد شاعر فرانسوی «لوکنت دولیل» در رشته ادبیات و فلسفه به اخذ مدرک کارشناسی نایل شد.
پس از طی دوره شش‌ماهه دانشکده افسری احتیاط، شش ماه اول سال ۱۳۱۴ را به خدمت افسری گذرانید و در مهر ماه آن سال به دبیری دبیرستان شاهپور اهواز منصوب شد. پس از سه ماه، ریاست دانشسرای شبانه‌روزی اهواز را یافت و در عین حال عضویت تحقیق اوقاف و ریاست پیشاهنگی و تربیت بدنی استان ششم به عهده وی بود. در همین ایام به وسیله مکاتبه آموزشگاه روانشناسی بروکسل، که تحت نظر Elmer Knowles روانشناس اداره می‌شد، ر «مزدیسنا و تاثیر آن در ادبیات پارسی» دفاع کرد. پایان‌نامه او با راهنمایی ابراهیم پورداوود با قید «بسیار خوب» پذیرفته شد و محمد معین به عنوان نخستین فارغ‌التحصیل دورهٔ دکتری ادبیات فارسی در ایران شناخته شد. از آن پس به سمت دانشیار و سپس به سمت استاد کرسی «تحقیق در متون ادبی» در دانشکده ادبیات برگزیده شد. در ۱۳۲۱ ازدواج کرد که نتیجه آن ۴ فرزند می‌باشد. از آغاز سال ۱۳۲۵ شمسی که چاپ لغتنامه دهخدا طبق قانون، در مجلس شورای ملی آغاز شد، دکتر معین به همکاری علی‌اکبر دهخدا برگزیده شد. در دی ماه ۱۳۳۴ با موافقت علی‌اکبر دهخدا، سازمان لغتنامه از منزل شخصی دهخدا به مجلس شورای ملی منتقل شد و طبق وصیت نامه دهخدا، دکتر معین به ریاست امور علمی آن سازمان منصوب گردید. در اسفند ۱۳۳۶ سازمان مذکور به دانشکده ادبیات دانشگاه تهران انتقال یافت و طبق اساسنامه مصوب شورای دانشگاه، ریاست سازمان لغتنامه به عهده دکتر محمد معین گذاشته شد. وی این سمت را تا آخرین روزی که دچار سکته گردید به عهده داشت.
محمد معین در ۹ آذر ۱۳۴۵ پس از بازگشت از ترکیه، در دفتر گروه زبان و ادبیات فارسی دچار بیهوشی موقت شد. بلافاصله به بیمارستان آریا در تهران منتقل شد و بستری گردید. گفته می‌شود که در اثر اشتباه پزشک به حالت اغما فرورفت. وی را جهت معالجه بیشتر در تاریخ ۱۴ مرداد ۱۳۴۶ به کشور کانادا منتقل کردند؛ ولی چون بهبودی در وضعیت او مشاهده نشد، در ۱۵ آبان ۱۳۴۶ به ایران بازگردانده شد و در بیمارستان فیروزگر بستری شد. دکتر محمد معین در روز ۱۳ تیرماه ۱۳۵۰ در همان بیمارستان درگذشت.
در مراسم خاک‌سپاری محمد معین، عده‌ای بسیار معدود شرکت داشتند که با توجه به شخصیت ادبی شناخته‌شده جهانی او، رنجش بسیاری از فرهنگ‌دوستان آن زمان را بر انگیخت. ابوالقاسم انجوی شیرازی در فردای روز تشییع جنازه، مقاله‌ای انتقادی با عنوان «تهران بمیر» در روزنامه اطلاعات انتشار داد و این تشییع جنازه را از سر گِلِه از فرهنگ‌دوستان با تشییع جنازه مهوش مقایسه کرد. هم‌چنین دکتر عنایت در یکی از سرمقاله‌هایش نوشت: «تهران مرگ محمد معین را حس نکرد»]
همسر محمد معین، مهین امیرجاهد نیز که طی چند سالی که دکتر معین در بستر بیماری بود، از وی پرستاری نمود در تاریخ ۸ آذرماه ۱۳۹۲ خورشیدی در آستانه اشرفیه درگذشت و در همان‌جا به خاک سپرده شد.