Amante y modelo favorita de Man Ray, fue fotógrafa de moda, amiga de las vanguardias y una de las artistas más desinhibidas de todos los tiempos. También fue corresponsal de guerra de la revista Vogue y retrató los horrores del nazismo.
Tuvo una infancia dura: Su padre, un ingeniero e inventor que le inculcó la pasión por la fotografía, la usaba habitualmente como modelo y la fotografió miles de veces, la mayor parte de ellas desnuda. A los siete años fue victima de una violación, que se atribuyó a un amigo de la familia, aunque posiblemente el autor fue su tío o su propio padre. Tras ella, su madre la sometió a regulares e insoportables duchas vaginales con un potente desinfectante químico. Además, tuvo que ir al psiquiatra que, para paliar su trauma, le inculcó que el amor y el sexo son cosas muy distintas, algo decisivo en la conducta posterior de Lee, demasiado liberal para la época.
En 1925, Lee Miller abandonó Nueva York y se instaló en París, donde comenzó a estudiar teatro. Al principio, su padre financiaba el viaje, pero seis meses más tarde dejó de hacerlo en un inútil intento de que volviera a su lado. Lee empezó a trabajar en la revista Vogue, primero como modelo y después como redactora y fotografa de moda. Fue en esa época cuando conoció al hombre que marcaría su vida: Emmanuel Radnitzky, más conocido como Man Ray, famoso pintor y fotógrafo surrealista.
Man Ray abandonó a la que entonces era su modelo y musa, Kiki de Montparnasse, para convertirse en amante y mentor de Lee, y le presentó a grandes artistas de la escena parisina, como Duchamp, Picasso, Magritte, Cocteau y su futuro marido, Roland Penrose. Fué una relación fructífera (juntos descubrieron la famosa técnica de solarización) pero que acabó pronto debido al machismo de Ray, que pretendía mantener a Miller confinada en casa mientras él ejercía la libertad sexual en la que ambos creían.
Tras la ruptura, Ray, desesperado, la acosaba por las calles de París, por lo que Lee decidio huir hasta la ciudad de Alejandría, donde se casó con un antiguo amante, el millonario Aziz Eloui Bey. Cansada de la vida en Egipto, en 1939 volvió a París y se casó de nuevo, esta vez con Roland Penrose. Este matrimonio duró hasta que estalló la II Guerra Mundial. Al contrario que su marido, un pacifista convencido que quería escapar de la realidad bélica, Lee quería acercarse a ella de modo que, aunque al principio huyó a Londres con Penrose, no tardó en volver a trabajar para Vogue, esta vez como corresponsal de guerra.
Lee Miller, que se reveló como una reportera temeraria y consiguió algunas imágenes únicas, fue una pionera de lo que hoy conocemos como fotoperiodismo. Publicó imagenes de los campos de exterminio de Dachau y Buchenwald y se retrató dentro de la bañera de Hitler. Sin embargo, en los años 50 dejó de fotografiar y prohibió toda exposición de sus obras, uno de los motivos por los que el trabajo de Miller no es lo suficientemente conocido y valorado. A partir de entonces, y hasta su muerte en 1977, se centró en el mundo de la cocina y se dedicó a seleccionar recetas y a entrevistar a chefs de toda Europa.