Nació en Nueva York, en familia judía. Estudió en la Universidad de Michigan, donde inició su actividad como autor dramático, escribiendo piezas para el cuadro escénico; así obtuvo dos veces, en 1936 y en 1937, el Hopwood Award, premio que otorga dicha Universidad. Una de sus primeras obras de éxito, Situación normal, estrenada ya profesionalmente en 1944, le abrió las puertas del teatro de Nueva York. Establecido en esa ciudad, escribió guiones radiofónicos, y en 1945 publicó la novela Focus.
Obtuvo su primer galardón literario importante por Un hombre con mucha suerte, en 1945. Su pieza Todos eran mis hijos (feroz crítica de la segunda guerra mundial, en la que ataca al propio Gobierno) fue elegida por la crítica como la mejor obradramáticadel año en 1947. En estos sus primeros títulos se percibe lo que sería el elemento fundamental de su producción: la crítica acerba a todos aquellos valores de carácter conservador de la sociedad.
El reconocimiento mundial le llegó con Muerte de un viajante, drama merecedor del premio Pulitzer en 1949; constituye una amarga crítica del modo de vida de la sociedad norteamericana y denuncia el carácter ilusorio del "sueño americano"; la figura del protagonista, un viajante de comercio, ha sido comparada a la de los personajes de las tragedias griegas; fue llevada al cine con gran éxito.
Otro de sus triunfos fue Panorama desde el puente, visión despiadada de los barrios portuarios neoyorquinos. Su actitud crítica le convirtió en "persona nongrata" y hubo de comparecer ante el Comité de Actividades Antinorteamericanas bajo la acusación de desacato; en respuesta a la creación de tal comité y a la doctrina maccarthista escribió Las brujas de Salem. Publicó después Recuerdo de dos lunes y Vidas rebeldes, inspirada en su matrimonio con la célebre actriz Marilyn Monroe, y llevada al cine por John Huston, protagonizada por Montgomery Clift, Clark Gable y la propia Marilyn, en la que fue la postrera interpretación de ella. Miller abordó nuevamente el tema de su vida conyugal con Marilyn en Después de la caída. Otras de sus obras son El premio y La creación del mundo y otros negocios. En 1987 apareció su autobiografía, Vueltas al tiempo, y tras largo silencio, en 1997 la novela corta de línea psicologista que mereció excelentes críticas, Una mujer normal.