1923. április 12-én Johnnie Lucille Collier néven született Texasban, anyai ágon cseroki indián nagyszülők leszármazottjaként. A kisgyerek korában angolkórral küzdő lányt édesanyja lába gyógyulása miatt küldte el táncot tanulni, akiből már tinédzser korára profi fellépő vált. Amikor süket édesanyjával Los Angelesbe költöztek, tizenegy éves korától már ő tartotta el mindkettejüket, miközben sztepptánc-órákat vett. A vibráló személyiségű, nagyszerű lábakkal megáldott Millernek ekkor indult hollywoodi karrierje: tizenhárom évesen, magát tizennyolcnak mondva, már éjszakai klubokban táncolt, amikor az RKO Pictures produkciós cég hétéves szerződést ajánlott a táncoló csodagyereknek.
Egy évvel később már Ginger Rogers partnereként bukkant fel a vásznon, mellyel egy húszéves mozikarrier vette kezdetét. Több mint negyven sikeres, hollywoodi filmben szerepelt köztük olyan produkciókban, mint pályája elején Frank Capra Oscar-díjas Így élni jó! (You Can't Take It With You, 1938.) című filmje. A Columbia Pictures-hez átigazolva egy tucat rövidebb, alacsony költségvetésű B-filmet forgatott, és bár jól kereső, híressé vált, formás lábait örömmel szerepeltették a rendezők a filmvásznon, igazi kasszasikerben nem kapott kiemelkedő karaktert. A 40-es években az óriás amerikai mozigyár, az MGM stúdiójának kezdett dolgozni, ahol pályája legismertebb szerepeit táncolhatta el: Judy Garlanddal és Fred Astairrel a Húsvéti Parádé (Easter Parade, 1948.), Gene Kelly-vel és Frank Sinatrával az Egy nap New York-ban és a Csókolj meg, Katám (Kiss me Kate, 1953.) című táncos musicalekben. A musicalkorszak hanyatlásával egyre többet szerepelt a televízióban és színházakban.
Amit a hollywoodi filmipar nem adott meg neki, azt megkapta a Broadway színpadán:
Az MGM-nél mindig női mellékszerepeket játszottam, sohasem lehettem én a nagy sztár a filmekben. Mindig én kaptam a kedves, szemtelen showgirl szerepét, akinek soha nem jött el az a bizonyos nagy pillanat a filmvásznon.”
– emlékezett vissza filmes éveire.
Az 1979-ben Boradway-n bemutatott Sugar Babies című musicallel beállhatott abba reflektorfénybe, amelyre évtizedek óta vágyott, és amelyet még hatvanas éveiben is dinamikus erővel adott elő turnéin. Állandó mellékszereplőként is számtalan díjat kapott (köztük a Legjobb lábnak járó elismerést a Hírességek Csarnokában), csillogó díva külsejét még idős korában is megőrizte. Egy önéletrajzi és egy szteppről szóló könyv megírása után 2001-ben még szerepet kapott David Lynch Mulholland Drive című filmjében, melyben a misztikus és dekoratív külsejű házi néni, Coco alakjába bújt. 2004-ben 81 éves korában hunyt el Los Angelesben, szteppcipőit a washingtoni Smithonian Intézetben állították ki.