Nata aNew York, Sienna ha passato gran parte della sua infanzia nelloWiltshire e aLondra. Figlia di genitorihippy, Edwin e Josephine Miller, si è trasferita giovanissima inInghilterra, da dove in seguito è tornata a New York, dove ha studiato per un anno alLee Strasberg Institute. Ha una sorella di nome Savannah, più grande di lei, stilista e designer, diplomata nella stessa scuola diJohn Galliano. Sua madre è Jo Miller, di originisudafricane, direttrice della scuola d'arte drammaticaLee Strasberg, che la stessa Sienna ha frequentato per dodici mesi. Il padre è invece Ed Miller, bancario.
Dopo la separazione dei genitori, Miller si è stabilita con la sorella e la madre in Inghilterra dove ha preso il diploma presso l'Heathfield High School adAscot nelSurrey. Poi è ritornata a New York per studiare teatro e si è fatta notare da Tandy Anderson, titolare di Select Model Management, che l'ha lanciata nella moda. Ha debuttato nel 2001 con una piccola parte inSouth Kensington diCarlo Vanzina. Sono poi seguite alcune apparizioni televisive nellaserie televisivaKeen Eddie. Tre anni dopo l'attrice ha ottenuto il primo ruolo di rilievo inThe Pusher dove è apparsa al fianco diDaniel Craig, nel ruolo dell'affascinante Tammy, di cui XXXX si invaghisce perdutamente.
Nel 2004 è stata scelta per interpretare la parte di Nikki - una bellissima, ma instabile ragazza - inAlfie, un remake del film del 1960 di Charles Shyer. Nel film ha conosciutoJude Law - protagonista del film - e tra i due è iniziata una relazione che s'interromperà prima delle nozze. Nel 2005 è stata al fianco diHeath Ledger inCasanova diLasse Hallström; nel film Miller ha interpretato Francesca, l'unica donna che Casanova non è in grado di sedurre. Sienna Miller è inoltre stata scelta per partecipare alla produzione shakespeariana delYoung Vic diCome vi piace, accolta positivamente dalla critica alWyndham's Theatre delWest End diLondra; lei interpretava Celia, al fianco diHelen McCrory,Dominic West eReece Shearsmith.
Nel 2003 ha iniziato una relazione con l'attoreJude Law, i due si sono fidanzati ufficialmente il giorno diNatale del 2004. Si sono separati nel 2006, perché Jude l'aveva tradita con la baby-sitter dei suoi figli[5]. Durante il processo per la separazione si è venuto poi a scoprire, grazie ad intercettazioni telefoniche, che lei tradiva a sua volta il compagno con l'attoreDaniel Craig.
È stata brevemente fidanzata nel 2008 con l'attoreRhys Ifans[6]. Sempre nel 2008 ha avuto un flirt con l'attoreBalthazar Getty, sposato e padre di quattro figli, causando molto scalpore nella cronaca rosa[7].
Nel dicembre del 2009 è stata riportata la notizia che Miller e Jude Law hanno ripreso la loro relazione; i due hanno passato insieme il Natale aBarbados con i tre figli di lui[7]. La relazione si è conclusa definitivamente nel febbraio 2011. I due sono comunque rimasti in rapporti amichevoli.
Nel 2011 l'attrice si è legata all'attoreTom Sturridge; nel gennaio 2012 è stata resa pubblica la notizia della suagravidanza[8]. Il 7 luglio 2012, in una clinicalondinese, ha dato alla luce una bambina, Marlowe Ottoline Layng.[9] Nel luglio 2014 la relazione è terminata.
Tra il 2019 e il 2020 l'attrice è stata fidanzata conLucas Zwirner, figlio del galleristaDavid Zwirner. I due si sono lasciati nonostante il matrimonio fosse stato dato per sicuro.
Nelle versioni initaliano dei suoi lavori, Sienna Miller è statadoppiata da:
Francesca Fiorentini inFactory Girl,Interview,G.I. Joe - La nascita dei Cobra,The Girl - La diva di Hitchcock,Foxcatcher - Una storia americana,Mississippi Grind,Civiltà perduta, Vagando nell’oscurità
Selvaggia Quattrini inAmerican Sniper,La legge della notte,The Loudest Voice - Sesso e potere,City of Crime, American Woman,Horizon: An American Saga
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