1989 trat er in das Verteidigungsministerium der Vereinigten Staaten ein und wurde Assistent des Secretary of the Air Force; als solcher war er für das Finanzmanagement der US Air Force zuständig. Nach dem Ende der Amtszeit von US-PräsidentGeorge Bush und dem Ausscheiden von Donald Rice war er erstmals vom 20. Januar bis zum 13. Juli 1993 amtierender Luftwaffenstaatssekretär (Acting US Secretary of the Air Force) während der ersten Amtsmonate von Präsident Bill Clinton.
2005 kehrte er ins US-Verteidigungsministerium zurück und war dort Direktor für Verwaltung und Management. Am 21. Juni 2008 wurde Michael B. Donley erneut amtierender Luftwaffenstaatssekretär und hatte dieses Amt bis zum 21. Juni 2013 inne.