Nato a Pistoia nel 1891 in una famiglia di fonditori di ferro, Michelucci si diploma all'Istituto Superiore di Architettura di Firenze e si afferma nel dibattito tra razionalisti e cultura accademica degli anni Venti e Trenta.
Nel 1932 vince, con il Gruppo Toscano, il concorso per la nuova stazione di Firenze Santa Maria Novella, opera che rinnova il linguaggio dell'architettura pubblica italiana coniugando funzionalismo e misura toscana.
Nel secondo dopoguerra è tra i protagonisti del dibattito sulla ricostruzione; dagli anni Sessanta sviluppa un ciclo di architetture religiose di grande libertà plastica, culminato nella chiesa dell'Autostrada del Sole. Muore a Firenze nel 1990, quasi centenario, dopo una vita dedicata anche all'insegnamento e all'incisione.