Né dans le Maryland, Frank Miller grandit à Montpelier dans le Vermont. Il découvre très tôt sa vocation de dessinateur de BD. Surdoué, il part à New York à 19 ans, en 1976 et est très vite engagé comme dessinateur chez Marvel Comics puis DC Comics, les deux plus prestigieux éditeurs de comic books américains. Après avoir travaillé sur de nombreux ouvrages, on lui confie enfin le plus gros projet : apporter une nouvelle dimension au mythe de Batman.

Il a 29 ans quand il crée The Dark Knight Returns où il imagine un Batman vieillissant et psychopathe. Il dit d'ailleurs s'être inspiré de sa propose crise de la trentaine pour imaginer cet ouvrage. Son univers noir, cynique et violent se met déjà en place. Marqué par les films noirs américains, et l'expressionnisme, il invente un graphisme inédit et brutal. Le succès est au rendez vous. Il écrit et dessine très vite la suite : The Dark Knight Strikes Again.

Hollywood ne tarde pas à s'intéresser à lui et lui propose d'écrire le scénario de Robocop 2. Plus violent que le premier, le film ne recontre pas le succès. Miller est tout de même engagé pour écrire Robocop 3 (1993). Il continue son travail de dessinateur de comic books et reçoit plusieurs prix dans de nombreux festivals. En 1999, il travaille pour la télévision et crée la série animée Big Guy and Rusty the Boy Robot, qui est arrêtée au bout de vingt-six épisodes, alors que Frank Miller en avait écrit quarante. Puis il crée ce qui restera le chef-d'oeuvre de sa carrière : Sin City. Une ville où se croisent des personnages cyniques évoluant dans un univers de femmes aussi plantureuses que dangereuses, de corruption et de violence. Son graphisme inédit et ses thèmes en font un succès immédiat. Les sirènes d'Hollywood reviennent chanter à sa porte, mais Frank Miller refuse obstinément toute adaptation de son oeuvre la plus chère. Les producteurs lui propose alors d'adapter The Dark Knight Returns pour le cinquième Batman, baptisé Batman : Year One, mais ce projet est finalement abandonné.

En 2005, Jennifer Garner interprète Elektra, inspiré du personnage qu'il avait crée. C'est un échec critique et public. Mais le succès lui sourit à nouveau grâce à Robert Rodriguez, qui, pour le convaincre, lui présente une séquence du film test qu'il a réalisé en respectant scrupuleusement les comic books. Il lui propose même d'être le co-réalisateur, et ne se crédite pas en tant que scénariste puisque selon lui, il ne fait que reprendre les mots et les dessins de Frank Miller. Ce dernier est conquis, Sin City est réalisé avec le concours de Quentin Tarantino et devient l'adaptation la plus attendue de l'année 2005. En 2008, Miller gagne ses galons de réalisateur et porte à l'écran le célèbre comic de Will Eisner, The Spirit avec entre autres Samuel L. Jackson, Eva Mendes et Scarlett Johansson.