Сиенна Миллер родилась 28 декабря 1981 года в Нью-Йорке. Родители Сиенны, отец Эдвард Миллер — банкир, мать Джозефин Миллер — родом из ЮАР. У Сиенны также есть родная сестра Саванна.

Когда Сиенне было 6 лет её родители развелись, мать Джо работала секретарем у Дэвида Боуи и руководила актёрской школой Ли Страсберга в Лондоне; отец Эд, бывший банкир, а теперь торговец произведениями искусства, снова женился, на этот раз на гуру дизайна интерьеров Келли Хоппен, и снова развелся.

После развода Сиенна вместе с мамой переехала в Англию, где училась в пансионе для девочек в городе Эскот, графство Беркшир. В 18 лет переехала обратно в Нью-Йорк, где в течение года посещала актёрскую студию Ли Страсберга.

С 16 лет Сиенна Миллер начала работать фотомоделью.

В 2002 году в Лондоне Сиенна снялась в независимой картине «The Ride» (также известной под названием «Joy-Rider»). В 2004 году Сиенна сыграла небольшую роль роль Тэмми в гангстергском фильме «Слоёный торт». Съёмки для Сиенны продлились всего пять дней.

В 2005 году она сыграла в фильме «Казанова» вместе с Хитом Леджером. В 2007 году на экраны вышел фильм-сказка, экранизация фантастического романа Нила Геймана «Звёздная пыль», в котором Сиенна исполнила роль Виктории.

Так же Сиенна снималась в драме режиссёра Бибан Кидрон «Хиппи Хиппи Шейк» по мотивам мемуаров Ричарда Невилла, где она играет роль Луизы Ферье. Премьера состоялась в 2008 году.

В январе 2006 года Сиенна подписала контракт с английской компанией «Pepe Jeans» на выпуск собственной линии джинсовой одежды и аксессуаров под названием «2812». Название «2812» расшифровывается как дата рождения Сиенны.

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. В ноябре 2009 года они снова возобновили свои отношения.