Debutó en televisión en 1983 con la miniserie Mansfield Park (en 1999 interpretó el papel principal en la versión de la BBC). En el teatro ha representado varias obras, incluyendo The Play what I Wrote y Entertaining Mr. Sloane.

En la gran pantalla, su primer gran éxito lo obtuvo con la película Hackers (Piratas informáticos) que protagonizó junto a la que sería su mujer, Angelina Jolie. Miller interpretó el papel de Sick Boy en la aclamada Trainspotting. También ha protagonizado Love, Honor & Obey, junto a Jude Law, Afterglow, de Alan Rudolph, Plunkett y Macleane y Drácula 2001. En televisión destacan sus colaboraciones en Principal Sospechoso III, un episodio de Los cuentos de Canterbury y el papel principal de Byron.

Próximamente lo veremos en la película de Woody Allen Melinda and Melinda.

Junto a sus amigos Ewan McGregor y Jude Law ha formado su propia productora cinematográfica, Natural Nylon.