Allievo all'Accademia di Belle Arti di Saint Louis, si reca a Parigi nel 1898 - dove vive per vent'anni -, entra all'Accademie Jullian e segue i corsi di pittura di Jean-Paul Laurens.
Nel 1900 esordisce al Salon parigino con un "Ritratto di donna" che gli fa vincere la medaglia della "terza classe"; nel 1904 esce definitivamente dall'ombra, le sue "Vieilles Demoiselles" sono un vero successo, e la tela viene acquistata dallo Stato per il Museo del Lussemburgo.
In quest'opera, che raffigura la scena di un interno familiare, l'artista risente della pittura di James Whistler, nella "espressione dell'ombra e del silenzio", ma caricata di un maggiore sentimento.
L'anno successivo la pittura di Miller si schiarisce, probabilmente grazie al contatto con le opere degli Impressionisti, ed espone al Salon due dipinti, "La Toilette" e "Le Goûter", in cui la luminosità e gli effetti cromatici sono realizzati con una pasta densa e costruttiva.
Da questo momento l'artista inizia a dedicarsi a diverse tematiche, dai soggetti en plein-air, ai ritratti, alle scene di interno. Nel 1908 viene nominato Cavaliere della Legion d'Onore e nel 1909 la Biennale di Venezia gli dedica una sala speciale.
Durante il lungo periodo trascorso a Parigi insegna pittura e sviluppa soggetti di pensosa intensità e di marcato edonismo, spesso influenzati dall'arte giapponese: donne immerse nella natura, scene di vita quotidiana, nature morte, ritratti, in cui alla riflessione psicologica fanno eco trasparenze pittoriche sottili, accordi cromatici di forte suggestione evocativa.
Come la maggior parte dei suoi connazionali, pur nel bagno di impressionismo a cui si sottopone, Miller resta fondamentalmente un pittore americano, nell'aderire con energia al mondo delle cose, alla fisicità della natura e della gente e nell'utilizzare, senza timidezza, le più variegate esperienze artistiche: dalla pittura en plein-air degli Impressionisti ai riferimenti simbolisti di Puvy de Chavannes, dalle citazioni whistleriane agli interni fiamminghi.
Tutto questo proponendo una circolarità della cultura figurativa a cavallo del secolo che si esprime, nella sua pittura, in scelte di qualità, di autosufficienza dell'immagine, di appassionato studio delle possibilità della materia pittorica nei confronti della realtà, e che si affianca a tutto il percorso delle avanguardie storiche senza quasi sfiorarlo.