Miller a ajuns la faimă regizând filmele de acțiune-aventură distopice Mad Max (1979), Mad Max 2 (1981) și Mad Max Beyond Thunderdome (1985). Apoi a regizat comedia fantastică întunecată The Witches of Eastwick (1987) și drama medicală biografică Lorenzo's Oil (1992), pe care a co-scris-o, obținând o nominalizare la Premiul Oscar pentru cel mai bun scenariu original. A produs și co-scris filmul de familie Babe (1995), obținând o nominalizare la Premiul Oscar pentru cel mai bun scenariu adaptat, și mai târziu a regizat continuarea Babe: Pig in the City (1998).
În 1995, a produs și documentarul de cinema verité Video Fool for Love, care a abordat viața personală a editorului de film Robert Gibson, surprinsă în sute de ore de înregistrări video.
A câștigat Premiul Oscar pentru cea mai bună animație pentru Happy Feet (2006) și a regizat continuarea acestuia, Happy Feet Two (2011). S-a întors la Mad Max, regizând continuarea apreciată de critici Mad Max: Fury Road (2015), care a câștigat șase Premii Oscar, Miller primind o nominalizare pentru Premiul Oscar pentru cel mai bun regizor. Apoi a regizat filmul prequel Furiosa: A Mad Max Saga (2024).
Format în medicină la Universitatea din New South Wales, Miller a lucrat ca medic timp de câțiva ani înainte de a intra cu normă întreagă în industria filmului. Este co-fondator al caselor de producție Kennedy Miller Mitchell, cunoscută anterior ca Kennedy Miller, și Dr. D Studios. De la moartea partenerului său de producție Byron Kennedy, fratele său mai mic, Bill Miller, și Doug Mitchell au produs filmele sale ulterioare.