Дмитрий Миллер родился 2 апреля 1972 года в городе Мытищи, Московская область. Родился в обычной советской семье - отец актёра плотник, а мама - бухгалтер.

Учился в обычной школе и не думал, что станет профессиональным актёром. После школы поступил в медицинский техникум. Однажды он поехал в Москву и увидел объявление о наборе студентов в театральную студию. Совершенно случайно он решил зайти и посмотреть, как проходит прослушивание. Дмитрий великолепно прочитал свой отрывок  «Мой Гамлет» и был зачислен на курс. Вскоре он стал студентом Щепкинского театрального училища.

После окончания учебы актёр работал в театре «На Басманной», где прослужил до 2005 года. За эти годы Дмитрий Миллер сыграл в нескольких спектаклях, а параллельно начал появляться в кино. Сначала Дмитрию доставались только эпизодические роли. Он сыграл в сериалах «Марш Турецкого», «Next». После этого ему доверили небольшую роль в «Антикиллере». ». Следующими работами стали роли в сериалах «Бальзаковский возраст, или Все мужики сво… 2» и «Александровский сад».

Но настоящая популярность к актеру пришла лишь в 2007 году, когда на экраны вышел полнометражный художественный фильм Олега Ряскова «Слуга государев». В картине, действия которой разворачиваются во времена русско-шведской войны, Дмитрий блестяще воплотил образ одного из главных героев - романтичного и храброго шевалье из Франции Шарля де Брезе. Чтобы максимально естественно выглядеть на экране в этой роли, актеру пришлось не одну неделю брать уроки верховой езды и фехтования. Сложность заключалась еще и в том, что его герой на протяжении всего фильма говорил по-французски.

В следующем году Дмитрию Миллеру предложили съемки в кинокартине «Монтекристо». Здесь актер предстал перед зрителем в образе отрицательного персонажа - Максима Орлова.

В 2008 году принял участие в телешоу «Ледниковый период - 2» в паре с Маргаритой Дробязко.

В 2009 году Миллеру досталась небольшая, но запоминающаяся роль в фильме «Весельчаки», повествующем о проблемах актеров-участников шоу трансвеститов.

Еще большую популярность артисту принесла работа в весьма провокационной криминальной драме «Черкизона. Одноразовые люди», вышедшей на экраны в 2010 году.  В этом же году фильмография Дмитрия Миллера пополнилась ролью в мистическом триллере «Масакра», где Дмитрию пришлось вжиться в образ графа-оборотня, пытающегося побороть темную сторону своего внутреннего «Я».

К этому времени Миллер стал достаточно востребованным актером, потому 2011 год выдался еще более насыщенным. Артист порадовал поклонников одной из главных ролей в сериале «Светофор», представляющем собой адаптацию одноименного израильского сериала 2008 года. Кроме того, актер появился в фильме «Рыжик в зазеркалье», сыграв сразу две роли. В этом же году актер был занят в проектах «Склифосовский», «Бомбила»,  «Моя новая жизнь», «Записки экспедитора Тайной канцелярии 2».

В 2014 году Дмитрий Миллер снялся в фильме «Любовь напрокат». В последние годы актер снимается в основном в продолжениях популярных телесериалов.

Так, например, успех «Склифосовского», в котором Дмитрий Миллер исполняет роль знающего свое дело хирурга Петра Пастухова, был просто ошеломляющим, поэтому было отснято еще три сезона полюбившегося зрителю сериала.