Michael Baumann forscht auf dem Gebiet der Strahlenbiologie, der Translationalen Radioonkologie und der bildgeführten Hochpräzisionsstrahlentherapie einschließlich der Protonentherapie. Ziel ist die Verbesserung der Behandlungsergebnisse der Strahlentherapie. Dabei ist ihm die interdisziplinäre Zusammenarbeit besonders wichtig, die er in mehreren Projekten in Dresden, u.a. dem Verbundprojekt OncoRay, vorantreibt. Er hat auch die Kooperation der Krebsforschungsstandorte Dresden und Heidelberg maßgeblich gefördert.

Baumann studierte Medizin an der Universität Hamburg, wo er 1988 promoviert wurde und sich 1994 auch habilitierte. Seit 1995 Oberarzt und Leiter des Bereichs Experimentelle Radioonkologie und Strahlenbiologie an der TU Dresden, ist er seit 1998 dort Professor, zunächst außerplanmäßig, seit 2001 ordentlicher Professor für Radioonkologie, seit 2003 Direktor des Universitäts KrebsCentrums und des OncoRay und seit 2010 Direktor der Klinik für Strahlentherapie und Radioonkologie. Von 2013 bis 2016 war er Direktor des Instituts für Radioonkologie am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR). Michael Baumann ist seit 2004 Mitglied der Leopoldina in der Sektion Radiologie.