Miloš Hlavica sa narodil 29. októbra 1933 v Prahe a už ako žiak pôsobil v ochotníckom divadle. Pôvodne študoval architektúru, nakoniec ale prešiel na Divadelnú fakultu Akadémie múzických umení v Prahe. Po jej absolvovaní začal pôsobiť v Realistickom divadle Zdeňka Nejedlého, kde bol až do roku 1991. Nasledujúce dva roky potom hral v Městských divadlech pražských, hosťoval však aj v Národnom divadle.
Jeho filmovým debutom bola snímka Váhavý střelec (1956), neskôr sa predstavil aj v snímkach ako Útěk ze stínu (1958), První a poslední (1959), Ženy v ofsajdu (1971) či Sny o Zambezi (1982). Častejšie však účinkoval v seriáloch. Okrem spomínanej Nemocnice na okraji mesta to boli napríklad 30 prípadov majora Zemana (1976 – 1980), Dobrodružství kriminalistiky (1989 – 1992) alebo Pražský písničkář (1997).
Bol tiež rozhlasovým a dabingovým hercom, pedagógom a maliarom. Jeho prvou manželkou bola herečka a spisovateľka Ivanka Devátá, druhou ďalšia herečka Růžena Merunková. Miloš Hlavica bol otcom troch detí – novinára Mareka Hlavicu, divadelného herca a režiséra Lukáša Hlavicu a herečky Anny Bendovej.