Принимал участие в Чемпионате мира в 2004 в Оберхофе, где стал золотым призёром в составе германской команды на эстафете 4x7,5 км. На Чемпионате мира 2005 в Хохфильцене выиграл серебряную медаль в индивидуальной гонке на 20 км и бронзовую медаль в смешанной эстафете. В феврале 2005 выиграл свою первую гонку кубка мира в итальянском городе Сан-Сикарио. Стал обладателем большого хрустального глобуса в сезоне 2006/2007.

Самый крупный успех в карьере Грайса удался ему 11 февраля 2006, когда он на Зимних Олимпийских играх 2006 в Турине стал чемпионом в индивидуальной гонке на 20 км. Вторую золотую медаль он завоевал 21 февраля в составе немецкой эстафеты, в которой также участвовали Рикко Гросс, Михаэль Рёш и Свен Фишер, опередив команды России и Франции. 25 февраля Михаэль Грайс выиграл гонку масс-старта на 15 км, опередив поляка Томаша Сикору и норвежца Уле-Эйнара Бьёрндалена. Таким образом он стал первым немецким спортсменом, когда-либо становившимся трёхкратным олимпийским чемпионом в ходе одних и тех же Олимпийских игр. На Зимних Олимпийских играх 2006 он стал вторым по успеху спортсменом после корейца Ан Хьюн-Соо, который трижды выиграл «золото» и один раз «бронзу». За успехи на Олимпийских играх Михаэль Грайс в конце года был избран спортивными журналистами Германии спортсменом года 2006.