Sienna Rose Diana Miller se narodila 28. prosince 1981 v New Yorku, ale většinu dětství prožila v Londýně. Její otec, Edwin Miller, je americký bankéř, a matka, Josephine Miller (rozená Modica), je britská bývalá modelka, která se později stala asistentkou Davida Bowieho a vedla divadelní akademii Lee Strasberg v New Yorku. Sienna má starší sestru Savannah, která je módní návrhářka, a dva nevlastní bratry, Charlese a Stephena, z otcova druhého manželství, a nevlastní sestru Natashu z matčina druhého vztahu. Když jí bylo šest let, rodiče se rozvedli, což ji ovlivnilo. Navštěvovala Heathfield St Mary’s School, internátní školu v Ascot, Berkshire. Již v mládí projevovala zájem o herectví a po dokončení školy se přestěhovala do New Yorku, aby studovala na Lee Strasberg Theatre and Film Institute, kde strávila jeden rok.
Kariéru začala Sienna Miller jako modelka, objevovala se v kampaních pro značky jako Pepe Jeans London a pózovala pro časopisy jako Vogue. Její herecký debut přišel v roce 2001 v nezávislém filmu „South Kensington“. Následovaly menší role v seriálech jako „The American Embassy“ (2002) a „Keen Eddie“ (2003-2004), kde si zahrála pravidelnou postavu Fionu Bickerton. Skutečný průlom v její filmové kariéře nastal v roce 2004, kdy se objevila ve dvou výrazných filmech. V gangsterském thrilleru „Vrstva koláče“ (Layer Cake) po boku Daniela Craiga upoutala pozornost svou energickou rolí Tammy. Ještě téhož roku získala velkou roli v romantické komedii „Zlatá brána“ (Alfie), kde si zahrála s Judem Lawem, což mělo významný dopad i na její osobní život.
Po úspěchu v roce 2004 následovaly další prominentní role. V roce 2005 si zahrála Francescu Bruni v historické komedii „Casanova“ s Heathem Ledgerem. O rok později, v roce 2006, ztvárnila ikonickou postavu Edie Sedgwick v životopisném dramatu „Factory Girl“, za což získala pochvaly kritiky, ačkoli film samotný měl smíšené recenze. V roce 2007 se objevila ve fantasy filmu „Hvězdný prach“ (Stardust) a v roce 2008 si zahrála po boku Keiry Knightley a Cilliana Murphyho v dramatu „Okraj lásky“ (The Edge of Love), kde ztvárnila Caitlin Macnamara, manželku básníka Dylana Thomase. V tomto období se také věnovala divadlu, například v roce 2005 debutovala na West Endu v inscenaci „As You Like It“.
Sienna Miller se stala předmětem intenzivního zájmu médií, zejména kvůli svým vztahům. Během natáčení filmu „Zlatá brána“ v roce 2004 se sblížila s hercem Judem Lawem a na Štědrý den téhož roku se zasnoubili. Jejich vztah byl často propírán v bulvárních médiích, zejména po odhalení Lawovy nevěry s chůvou v roce 2005, což vedlo k jejich rozchodu v roce 2006. Krátce se vídala s hercem Rhys Ifansem. S Lawem se k sobě vrátili v letech 2009 až 2011, ale poté se definitivně rozešli. V roce 2011 začala chodit s hercem Tomem Sturridgem. Pár se v roce 2012 zasnoubil a v červenci 2012 se jim narodila dcera Marlowe Ottoline Layng Sturridge. V roce 2015 se však i tento vztah rozpadl. Sienna Miller byla také jednou z obětí skandálu s odposlechy telefonů britskými bulvárními novinami, za což jí byla v roce 2011 přiznána značná kompenzace.
Po období, kdy si dala pauzu od velkých hollywoodských projektů, se Sienna Miller vrátila s řadou silných rolí, které jí přinesly kritické uznání. V roce 2014 se objevila ve dvou vysoce oceňovaných filmech. Ve sportovním dramatu „Hon na lišku“ (Foxcatcher) ztvárnila Nancy Schultz, manželku zápasníka Davea Schultze, a ve válečném dramatu Clinta Eastwooda „Americký sniper“ (American Sniper) si zahrála Tayu Kyle, manželku odstřelovače Chrise Kylea. Za roli v „Americkém sniperovi“ získala nominaci na Critics’ Choice Movie Award za nejlepší herečku ve vedlejší roli. V roce 2015 se objevila v dramatech „Vysoká hra“ (Mississippi Grind) a „Dokonalý šéf“ (Burnt). V roce 2016 si zahrála v adaptaci sci-fi románu „High-Rise“ a v životopisném dobrodružném filmu „Ztracené město Z“ (The Lost City of Z), kde ztvárnila Ninu Fawcett, manželku průzkumníka Percyho Fawcetta.
Vedle filmových rolí se Sienna Miller začala výrazně prosazovat i v televizních seriálech. V roce 2019 získala uznání za roli Beth Ailes v minisérii „Nejsilnější hlas“ (The Loudest Voice), kde ztvárnila manželku zakladatele Fox News Rogera Ailese. Za tuto roli obdržela nominaci na cenu BAFTA TV za nejlepší herečku. V roce 2022 si zahrála hlavní roli Sophie Whitehouse v dramatickém seriálu Netflixu „Anatomie skandálu“ (Anatomy of a Scandal), který se stal velmi sledovaným. Mezi její novější filmové projekty patří například thriller „21 mostů“ (21 Bridges) z roku 2019, kde si zahrála detektivku Frankie Burnsovou, nebo drama „Wander Darkly“ z roku 2020. V roce 2024 se objevila v minisérii „Extrapolations“ a ve filmu „Horizon: An American Saga“.
Sienna Miller je dlouhodobě považována za jednu z nejvlivnějších osobností v oblasti módy. Její styl, často popisovaný jako bohémský chic, ovlivnil módní trendy v celosvětovém měřítku. Byla tváří mnoha kampaní a objevila se na obálkách prestižních módních magazínů. Spolu se svou sestrou Savannah dokonce v roce 2007 založila vlastní módní značku s názvem „Twenty8Twelve“, která byla aktivní několik let. V současné době se vedle své herecké kariéry věnuje i mateřství. Po dceři Marlowe, kterou má s Tomem Sturridgem, se jí v roce 2023 narodilo druhé dítě, dcera, s jejím partnerem Olem Greenem. Sienna Miller pokračuje v práci na rozmanitých filmových a televizních projektech, zatímco se snaží skloubit kariéru s rodinným životem.