Studente all'Università di Princeton, dimostrò nel 1950 un primo risultato nellateoria dei nodi, noto come ilTeorema di Fary-Milnor. Nella sua tesi studiò un altro argomento della teoria dei nodi, ilgruppo fondamentale di unlink. Lavorò quindi a Princeton come docente.
Per i suoi lavori in teoria dei nodi e più generalmente intopologia differenziale, ricevette nel 1962 laMedaglia Fields e ilPremio Wolf nel 1989; gli fu assegnato per due volte ilPremio Steele, nel 1982 e nel 2004, rispettivamente per i suoi contributi alla ricerca e all'esposizione e ilPremio Abel nel 2011 per i suoi lavori in geometria, topologia e algebra.
Milnor è editore diAnnals of Mathematics dal 1962. Tra i suoi libri troviamo (in inglese)Topology from the Differentiable Viewpoint,Morse Theory,Characteristic Classes (con James Stasheff),Lectures on the h-Cobordism Theorem,Dynamics in One Complex Variable, eSingular Points of Complex Hypersurfaces.
Tra i suoi risultati più spettacolari, vi è la dimostrazione dell'esistenza disfere esotiche in dimensione 7, un termine da lui coniato per indicare dellevarietà differenziabiliomeomorfe ma nondiffeomorfe alla sfera. Dimostrò successivamente conMichel André Kervaire che il numero di tali sfere è esattamente 28.