Из дворянского рода, имевшего немецкие корни. Окончил Николаевское кавалерийское училище (1886) и Николаевскую академию Генерального штаба (1892). В 1898–1907 гг. военный атташе в Бельгии, Нидерландах и Италии. С 1910 г. начальник Николаевского кавалерийского училища. С октября 1912 г. начальник штаба Московского военного округа. Участник Первой мировой войны, генерал-лейтенант (1915). С конца 1916 г. командовал 26-м армейским корпусом.

В апреле 1917 г. избит и арестован солдатами корпуса за приказ снять красные банты, под конвоем отправлен в Петроград. После расследования, не обнаружившего состава преступления, отчислен в запас. С августа 1917 г. состоял в распоряжении начальника Генерального штаба, будучи представителем Ставки Верховного главнокомандующего при Итальянской главной квартире.

После Октябрьского переворота занимался переброской в Россию личного состава российских бригад во Франции и Македонии для борьбы с большевиками.

В ноябре 1918 г. получил приглашение от Временного правительства Северной области занять пост генерал-губернатора. 1 января 1919 г. прибыл в Архангельск, назначен управляющим иностранными делами правительства, а 15 января – генерал-губернатором Северной области. Указом Верховного правителя России А. В. Колчака от 10 июня 1919 г. войска и флот Северной области были объединены с Сибирскими вооруженными силами, а Миллер назначен главнокомандующим всеми сухопутными и морскими вооруженными силами на Севере России (Северным фронтом) с сохранением должности генерал-губернатора.

После падения Северной области в феврале 1920 г. эмигрировал в Норвегию, затем во Францию. С мая 1920 г. главноуполномоченный по военным и морским делам генерала П. Н. Врангеля в Париже. С 1930 г. председатель Русского общевоинского союза (РОВС), один из организаторов террористической деятельности РОВС на территории СССР. В 1937 г. похищен и вывезен агентами НКВД из Парижа в Москву. Приговорен Военной коллегией Верховного суда СССР к высшей мере наказания, расстрелян.