Детские годы Дмитрия прошли в подмосковном городе Мытищи. Он учился в простой общеобразовательной школе и о том, чтобы стать актёром, никогда не задумывался.
Своё будущее Дмитрий Миллер хотел связать с медициной и после окончания школы предполагал поступить в медицинский техникум. Однако вмешался счастливый случай. Будучи в Москве с друзьями, Дмитрий увидел объявление о наборе студентов в одну из столичных театральных студий. Любопытство взяло верх, и Дмитрий решил прийти на прослушивание, чтобы просто посмотреть, в каком формате оно будет проходить.
Успешно справившись с волнением, Дмитрий отлично прочитал выбранный отрывок из «Моего Гамлета» и стал студентом первого курса Щепкинского театрального училища (мастерская В. А. Сафронова).
В 2001 году Дмитрий Миллер окончил театральное училище и почти сразу получил место в труппе музыкального театра «На Басманной», где проработал около четырёх лет. За время обучения Дмитрий сыграл в нескольких спектаклях и в эпизодах таких сериалов, как «Next», «Марш Турецкого» и «Антикиллер».
В это же время начала развиваться и кинематографическая карьера Дмитрия. Его дебютом стала роль в популярном телевизионном сериале «Марш Турецкого» (2000). Затем последовали съёмки в таких сериалах, как «Next. Следующий» (2001), «Бальзаковский возраст, или Все мужики сво…-2» (2005). Однако настоящую популярность и узнаваемость Дмитрий Миллер приобрёл после роли Максима Орлова в сериале «Монтекристо» (2008).
В следующем году Дмитрий Миллер сыграл две значительные роли – хирурга Сергея Виноградова в криминальной драме «Черкизона» и графа-оборотня Владимира Пазуркевича в мистическом триллере «Масакра».
В 2011 году на канале СТС вышел сериал «Светофор» – адаптированная версия одноименного сериала, экранизированного в Израиле три года назад и получившего номинацию на престижную премию «Эмми» в категории «Лучший комедийный сериал года». Дмитрий Миллер принял участие в съёмках этого проекта.
Дмитрий Миллер женат на актрисе Юлии Делос, вместе они воспитывают сына Даниила.
