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 (род. 30 апреля 1970 года).
Когда Сиенне было 6 лет её родители развелись. Её мать Джозефина 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 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 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.
Также 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 2008 Сиенна снялась вместе с Кирой Найтли в фильме «Запретная любовь», байопике об английском поэте Дилане Томасе, в котором сыграла его жену Кэйтлин.
В 2007 году Сиенна призналась, что любит и часто употребляет галлюциногены, в частности галлюциногенные грибы.
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.
