Участвовал в Семилетней войне, в турецкой кампании 1770 года и в действиях против польских конфедератов.
В конце 1773 года, в чине премьер-майора, Михельсон назначен был в войска, отправленные против Пугачёва, и с этого времени имя его приобретает громкую известность. Вскоре после его прибытия дела на территории, охваченной крестьянской войной под предводительством Пугачёва, приняли другой оборот благодаря выдающейся отваге Михельсона, особенно неутомимости его в преследовании повстанцев, которых он разбивал при каждой встрече. Победой над войском Пугачёва, стоявшего под казанским Кремлем, куда укрылись остатки жителей разоренного города, Михельсон нанёс решительный удар Пугачеву, а затем, переправившись вслед за ним на правый берег Волги, продолжал преследование его людей, и в 25 верстах от Чёрного Яра в 100 км от Царицына у Солениковой ватаги 5 сентября 1774 нанёс им окончательное поражение.
За заслуги в разгроме пугачевского восстания получил орден Св. Георгия 3-го класса, имение в Витебской губернии, золотую шпагу, украшенную бриллиантами, а также звание полковника. В 1775 назначен командиром кирасирского Военного ордена полка, а в 1776 Лейб-кирасирского полка. В 1778 произведен в генерал-майоры и награждён орденом Св. Александра Невского, с 1781 премьер-майор лейб-гвардии Конного полка, с 1786 генерал-поручик.
Во время шведской войны 1788—1789 гг. Михельсон командовал корпусом в армии генерала Мусина-Пушкина. В 1797 генерал от кавалерии. В 1803 г. назначен белорусским военным губернатором, управляющим по гражданской части в Витебской и Могилёвской губерниях. В 1805 г. ему вверено было начальство над войсками, собранными на западной границе, а в 1806 г. — начальство над днепровской армией, предназначенной для действий против турок. За исправное управление был награждён в 1806 орденом Св. Андрея Первозванного. Заняв с днепровской армией молдавские земли, Михельсон умер в Бухаресте.
По его завещанию, забальзамированное тело генерала было перевезено в пожалованное ему Екатериной II после разгрома Пугачёва и обустроенное им село Иваново близ города Невеля Витебской губернии (ныне Псковская область России), и похоронено в построенной им церкви Иоанна Предтечи. Могила уничтожена после Октябрьской революции.
