Seu pai apresentou Elizabeth e seus irmãos à fotografia ainda crianças. Ela servia como sua principal modelo e inclusive tirou várias fotos de sua filha adolescente nua, mostrando-a também os aspectos artísticos e técnicos da fotografia.^[5] Aos 19 anos, ela quase foi atropelada em Manhattan, tendo sido salva por Condé Nast, editor da revista Vogue.^[2] Este incidente acabou por lançar sua carreira de modelo. Sua primeira capa para a Vogue foi na edição de 15 de março de 1927. Lee era exatamente o que a editora-chefe da revista procurava para ilustrar uma garota moderna.^[2]

Nos dois anos seguintes, ela uma das mais celebradas modelos de Nova Iorque, fotografada por todos os grandes mestres da época, como Edward Steichen, Arnold Genthe, Nickolas Muray e George Hoyningen-Huene.^[6][7] Sua carreira de modelo chega ao fim quando uma foto sua foi usada em um comercial de absorventes menstruais. Ela então foi contratada como designer em 1929 para desenhar moda, mas após algum tempo Lee se cansou do desenho e partiu para a fotografia.^[6][8]

Em 1929, Lee viajou para Paris com o objetivo de aprender fotografia e arte surrealista com Man Ray. Inicialmente, Man alegou que não aceitava estudantes, mas logo Lee se tornou sua assistente e modelo, bem como musa e amante.^[3] Em Paris, ela abriu seu próprio estúdio fotográfico, em geral pegando os trabalhos de Man para deixá-lo livre para pintar. Várias fotos desta época foram atribuídas a Man, mas são de autoria de Lee Miller.^[6][9]

Uma de suas grandes contribuições para o Surrealismo no ramo da fotografia foi a redescoberta da técnica de solarização, por meio de experimentos com luz em estúdio. Este processo passou anos sendo creditado apenas a Man Ray.^[10]

Participante do movimento surrealista, entre seu círculo de amizades estavam Pablo Picasso, Paul Éluard e Jean Cocteau. Em uma discussão com Man Ray sobre a autoria de uma série de fotos, Man a agrediu com uma lâmina e cortou o pescoço de Lee, que o deixou em 1932 e voltou para Nova Iorque, onde abriu um estúdio fotográfico junto de seu irmão Erik, que vinha trabalhando com o fotógrafo de moda Toni von Horn.^[9]

Lee alugou dois apartamentos no mesmo prédio, a um quarteirão do Radio City Music Hall. Um apartamento era sua casa, o outro se tornou o Lee Miller Studio.^[11] Alguns de seus clientes eram Henry Sell, Elizabeth Arden, Helena Rubinstein, BBDO e Jay Thorpe.^[11] Em 1932, seus trabalhos foram exibidos na Galeria Julien Levy, em Nova Iorque, e na exposição de fotógrafos internacionais no Museu do Brooklyn, junto de László Moholy-Nagy, Cecil Beaton, Margaret Bourke-White, Tina Modotti, Charles Sheeler, Man Ray e Edward Weston.^[12]

Com a eclosão da Segunda Guerra Mundial, Lee morava em Hampstead, em Londres, quando o bombardeio na cidade começou. Ignorando os pedidos da família e de amigos de voltar para os Estados Unidos, Lee entrou na carreira do fotojornalismo e se tornou correspondente oficial de guerra para a Vogue britânica, documentando a Blitz na Inglaterra. Em dezembro de 1942, tornou-se correspondente para o Exército dos Estados Unidos e para as publicações da Condé Nast,^[8][9] numa época em que fotógrafas mulheres não eram permitidas no front.^[13]

Durante a Segunda Guerra Mundial, Lee viajou pela França menos de um mês depois do Desembarques da Normandia e registrou os primeiros usos de napalm no cerco de Saint-Malo^[14], bem como a liberação de Paris e a Batalha de Mulhouse. Neste período, formou uma parceria de destaque com o fotojornalista norte-americano David E. Scherman, correspondente da revista Life.^[15] A dupla ficou conhecida pela cobertura conjunta de momentos decisivos do conflito, como a libertação de Paris e e o horror dos campos de concentração nazistas em Buchenwald e Dachau. A colaboração entre ambos resultou em algumas das imagens mais emblemáticas do período, incluindo a famosa fotografia de Miller na banheira de Adolf Hitler, registrada por Scherman no apartamento de Adolf Hitler em Munique, horas após a morte do ditador.^[16] Nesta mesma época, ela fotografou crianças enfermas no Hospital de Viena, a vida miserável dos camponeses na Hungria pós-Segunda Guerra, os corpos de oficiais nazistas e de suas famílias e a execução do primeiro-ministro László Bárdossy.^[6][8][9]

Com o fim da guerra, Lee continuou trabalhando para a Vogue por mais dois anos, cobrindo eventos de moda e celebridades.^[6][8][9]

Entre os anos de 1940 e 1950, o serviço de segurança britânico, o MI5, a investigou, por suspeitar que ela seria uma agente soviética.^[17] Em 1949, o casal comprou uma fazenda em Chiddingly, em Sussex.^[6] Entre os anos 1950 e 1960, a fazenda se tornou uma espécie de destino artístico para vários pintores, fotógrafos e escritores proeminentes da época, como Henry Moore, Eileen Agar, Jean Dubuffet, Dorothea Tanning e Max Ernst.

The Lives of Lee Miller serviu de base para o filme Lee (2023), dirigido por Ellen Kuras e estrelado por Kate Winslet no papel de Miller. O filme foca na transição de Miller de surrealista a fotojornalista durante a Segunda Guerra Mundial, mostrando o contexto em que produziu algumas de suas fotografias mais conhecidas, como a liberação de Paris e dos campos de concentração de Dachau e Buchenwald, além de incluir um vislumbre de suas relações com personagens centrais de sua vida, como seu colega e amigo David Scherman (Andy Samberg), a editora da Vogue britânica Audrey Withers (Andrea Riseborough) e seu companheiro Roland Penrose (Alexander Skarsgård).^[23]

O filme Civil War (2024), dirigido por Alex Garland, segue Lee Smith (interpretada por Kirsten Dunst), uma fotojornalista inspirada em Lee Miller que cobre os movimentos separatistas de uma versão distópica dos Estados Unidos.