Miller syntyi venäläis-saksalaiseenssassa perheeseen Väinänlinna, Latviassa. Miller valmistui sota-akatemiasta ja palveli Venäjän keisarillisessa kaartissa. Vuosina 1898–1907 hän toimi Venäjän sotilasattaseana ulkomailla muun muassa Roomassa, Haagississa ja Brysselä. Ensimmäisessä maailmansodassa Miller komensi Moskovan sotilaspiiriä ja sai kenraaliluutnantin arvon.
Helmikuun vallankumouksen jälkeen vuonna 1917 Millerin sotilaat pidättivät hänet, kun hän käski heitä riisumaan punaisen käsipannan.
Lokakuun vallankumouksen jälkeen Miller pakeni Arkangeliin jossa hän julisti itsensä Pohjois-Venäjän kenraalikuvernööriksi. Toukokuussa 1919 admiraali Aleksandr Koltšak nimitti Millerin valkoistenissaissa johtajaksi alueella. Arkangelissa, Murmansk ja Aunuksessa Millerin antibolševiikkiset joukot saivat apua ympärysvalloilta, Britanniannn ja Ranska sotajoukoilta Venäjän punaisia vastaan. Britit perääntyivät hyökkäyksen epäonnistuttua Vienajoella ja Miller jäi yksin vihollista vastaan.
Helmikuussa 1920 Miller pakeni Arkangelistä Norjainan ja muutti myöhemmin Pjotr Wrangel ja suuriruhtinas Nikolai Romanovin kanssa Ranskaan, jossa he jatkoivat bolševikkien vastaista toimintaansa.
1930-luvulla Miller nimitettiin Venäjän valkoisen emigranttiarmeijan (Русский общевоинский союз,; ROVS) komentajaksi. 22. syyskuuta 1937 NKVD:n agentti Nikolai Skoblinssa kidnappasi Millerin Pariisi. Hänet kuljetettiin Le Havreen ja sieltä eteenpäin Neuvostoliittonon rahtialuksella. Hän istui lähes kaksi vuotta vankilassa Moskova keskustassa. Hänen henkilöllisyytensä pidettiin salassa. 11. toukokuuta 1937 hänet teloitettiin ampumalla moskovalaisessa krematoriossa.