Machuel a passé sa jeunesse à Paris, où il a terminé ses études secondaires avant d'entrer à l'École Polytechnique (X 1979) et à l'ENA (Promotion "Gambetta" en 1983). Il a occupé divers postes dans les services de l'État français, notamment au ministère de l'Industrie et du Commerce extérieur.
En 1992, Machuel rejoint la Direction générale de l'Équipement et de l'Aménagement du territoire (DGEAT), où il travaille sur les questions d'énergie et de climat. Il devient directeur du Bureau de recherches techniques de l'État (BRTE) en 1995, puis conseiller technique de la Présidence de la République en 1997, où il participe à la mise en place de la politique énergétique française.
En 2000, Machuel est nommé directeur général de l'Agence de l'environnement et de la maîtrise de l'énergie (Ademe), poste qu'il occupe pendant dix ans. Durant cette période, il contribue à l'élaboration du schéma national de transition énergétique (SNTE) en 2009 et à la mise en place des mesures pour atteindre les objectifs de réduction des émissions françaises.
En 2010, Machuel est nommé président du conseil d'administration de l'Institut national de recherche sur les sciences et techniques pour l'environnement et l'aménagement du territoire (INRA-ENVT). Il occupe ce poste jusqu'en 2018. Depuis cette date, Machuel est le président du conseil d'administration de la Fondation France Nature Environnement et membre du conseil scientifique de l'Agence française pour la biodiversité (AFB).
Machuel a également été professeur associé à Sciences Po Paris et à l'Institut national des sciences appliquées à Lyon (INSA-Lyon), où il enseignait les questions d'économie environnementale.