Когда Сиенне было 6 лет её родители развелись, и вместе с мамой она переехала в Англию, где училась в пансионе для девочек в городе Эскот, графство Беркшир, расположенной в часе езды от столицы.
В самом раннем возрасте Миллер приобрела привычку, от которой не может избавиться до сих пор – курение. Также будущую актрису запомнили в учебном заведении как сорванца, бедокура и... любительницу весьма крепких словечек (последнее водится за Сиенной до сих пор). Закончив школу, Миллер переехала в Нью-Йорк, чтобы учиться в драматической школе Ли Страсберга (Lee Strasberg Institute).
Именно в Нью-Йорке состоялся актерский дебют Сиенны: сначала она играла в театре, а затем приняла участие в независимой картине «Джой-наездник» (Joy-Rider, 2002). Затем была роль в телесериале «Американское Посольство» (The American Embassy, 2002) , показ которого продлился недолго.
Первым успехом Миллер стала роль в сериале телеканала BBC «Время спать» (Bedtime, 2001); именно тогда ее заметили. Одновременно с первыми шагами на актерском поприще Сиенна работала фотомоделью. Она снималась для Coca-Cola, итальянского Vogue, Prada и знаменитого календаря Pirelli Calendar в 2003 году.
В начале 2003 года Сиенна сыграла в телесериале «Кин Эдди» (Keen Eddie, 2003), рассказывающем о нью-йоркском полицейском, получившим назначение в английский участок. Эта работа стала настоящим прорывом, потому что сразу после нее Сиенне предложили сразу две роли в картинах для большого экрана.
Работа в картине «Слоеный пирог» (Layer Cake, 2004) заняла у Миллер всего пять дней. А вот комедия «Красавчик Алфи или чего хотят мужчины» (Alfie, 2004) сделала Сиенну звездой Голливуда. ... правда, внимание общественности привлекла не столько игра Сиенны, сколько ее роман с партнером по фильму – голливудским красавчиком Джудом Лоу.
Отношения парочки оказались под пристальным вниманием журналистов. Надо отметить, что Миллер и Лоу регулярно радовали папарацци горячими кадрами – они то целовались на красных дорожках, то ссорились на виду у всех в ночных клубах. Тем не менее, некоторая нестабильность в отношениях не помешала актерам объявить о помолвке. Свадьба так и не состоялась – Лоу изменил Сиенне с няней своих детей от первого брака, и в сентябре 2006 года Лоу и Миллер расстались окончательно.
Летом 2005 года состоялся дебют Миллер на театральной сцене Лондона. Она исполнила роль Селии в пьесе У. Шекспира «Как вам это понравится». Затем была роль в костюмированной картине «Казанова», съемки которой проходили в Венеции. Партнерами Миллер в этом фильме стали Хит Леджер и Джереми Айронс. В 2006 году Сиенна заключает контракт с брендом Pepe Jeans; совместная коллекция этого бренда и актрисы успешно продавалась.
В августе 2007 года Сиенна начала встречаться с актером Ризом Айфэнсом (Rhys Ifans); к концу года они уже были помолвлены, но и этой свадьбе не суждено было состояться – Риз, по слухам, изводил возлюбленную ревностью, и Миллер не выдержала, бросив бойфренда весной 2008 года. Успехи в качестве дизайнера и титул одной из самых стильных женщин в мире шоу-бизнеса не могут отвлечь Сиенну от ее основного занятия – она продолжает сниматься.
В 2007 году вышли картины с ее участием «Интервью» (Interview) и «Звездная пыль» (Stardust). Начало 2008 года Сиенна провела в Праге, где проходили съемки картины « На краю любви». Этот фильм Сиенна представила публике уже летом 2008 года, вместе со своей коллегой и партнершей по съемкам, актрисой Кирой Найтли.
В это же время Миллер начала встречаться с актером Бальтазаром Гетти; в связи с тем, что Гетти официально состоял в браке, в прессе поднялся скандал; имя Сиенны не сходило с первых полос изданий.
В конце 2008 года Сиенна приступила к съемкам в картине «Камилла» (Camille). В 2008 Сиенна снялась вместе с Кирой Найтли в фильме «Запретная любовь», байопике об английском поэте Дилане Томасе, в котором сыграла его жену Кэйтлин.
Личная жизнь
В 2004 году во время кастинга для фильма «Красавчик Алфи, или Чего хотят мужчины» Сиенна познакомилась с британским актёром Джудом Лоу, через некоторое время они объявили о своей помолвке. Но в августе 2005 года они расстались после того как стало известно, что Джуд изменил Сиенне с няней своих детей от первого брака.
Имела отношения с уэльским актёром Рисом Ивансом, но отвергла его предложение о замужестве. Пара распалась, так как по признанию Сиенны их отношения «никогда не были серьёзными… и она не готова к браку».
В ноябре 2009 года Сиенна возобновила отношения с Джудом. Однако, в феврале 2011 года пара вновь рассталась. C 2011 года Сиенна встречается с актёром Томом Старриджем. У пары есть дочь — Марлоу Оттолайн Лейнг Старридж(род. 7 июля 2012).