Penelope Ann Miller nació el 13 de enero de 1964 y es hija del famoso guionista y director Mark Miller, escritor de 'Un paseo por las nubes'. Desde muy pequeña estuvo vinculada al mundo de la interpretación, aunque su madre era profesora de yoga y periodista, trabajando en lugares como la popular revista 'Harper's Bazaar'.
Miller vivió en Los Ángeles hasta cumplir los 18 años, cuando se trasladó a Nueva York para estudiar arte dramático en el HB Studio en Greenwich Village. Su carrera como actriz comenzaría en el teatro, con obras como 'Desventuras de una recluta inocente' (1985), pero pronto la fama llegaría gracias al cine y a la televisión.
En televisión participó en numerosas series de gran fama en la década de los 80', pero su reconocimiento llegó en el cine. En la gran pantalla debutó interpretando en mismo papel que en la obra de teatro de 1985, aunque no fue hasta 1990 cuando comienza a protagonizar los films que le dieron la fama. 'El novato', 'Despertares' o 'Kindergarten Cop' son solo algunos de los títulos más destacados.
Ha estado nomiada en algunas ocasiones como mejor actriz secundaria o de reparto en eventos como los Globos de Oro (1994) por su papel en 'Atrapado por su pasado' o en los Premios Saturn (1997) con 'The Replic'. El galardón le llegó en el año 1991 con motivo de los Chicago Film Critics Association como la Mejor Actriz Promesa. Tras unos años sin grandes triunfos, en 2010 vuelve a alcanzar el éxito con 'Mi primer amor' y tan solo un año más tarde participa en el film 'The Artist', ganador de cinco Oscars.
En 1994 contrae matrimonio con el actor Will Arnett, aunque su enlace tan solo duró un año. En mayo del año 2000 se casa con John Patrick Huggins, con quien tiene dos hijas: Eloisa (2000) y Maria Adela (2009). En 2012 se divorcia de Huggins tras 11 años de relación.
