Née d'un père banquier et d'une mère professeur d'Art dramatique à la Lee Strasberg Drama School of London, Sienna Miller grandit d'abord à New York, puis en Grande-Bretagne à la suite du divorce de ses parents. Après ses études, elle intègre le célèbre Lee Strasberg Institute de New York, tout en menant en parallèle une carrière de mannequin, en devenant l'une des égéries de la marque Prada. En 2001, elle fait ses premiers pas sur grand écran, en interprétant un petit rôle dans la comédie South Kensington, aux côtés de Rupert Everett.

En 2004, elle attire l'attention de l'acteur-producteur Matthew Vaughn pour tenir un rôle dans son premier film en tant que réalisateur : Layer Cake; une comédie sur le milieu des gangsters britanniques. Mais c'est surtout avec Irrésistible Alfie, remake d'un classique des années 70, qu'elle se fait connaître. Elle y donne la réplique à Jude Law, et entame avec lui une liaison qui tient en haleine la presse people du monde entier. En 2005 cependant, ils rompent peu après que l'acteur lui eut publiquement présenté ses excuses suite à sa liaison avec leur gouvernante.

Après sa participation à Casanova -un échec en salle- elle tourne à nouveau sous la houlette de Matthew Vaughn dans Le Mystère de l'étoile (2007), où elle partage l'affiche aux côtés de Robert De Niro, Michelle Pfeiffer, Ian McKellen et Claire Danes. En 2008, l'actrice prête pour la première fois sa voix à un film d’animation, Kis Vuk. S’il ne reçoit pas de grands éloges, ce long-métrage permet à l’actrice de se diversifier.

Durant quatre ans, Sienna Miller se cantonne à de nombreux seconds rôles au cinéma comme à la télévision dont The Edge of Love (2008), G.I. Joe - Le réveil du Cobra, et retrouve la tête d’affiche en 2012 dans Two Jacks, Yellow et Just Like a Woman. Dès lors, la comédienne cumule projet sur projet. Après avoir accouché d'une petite Marlowe en juillet 2012, elle tombe sous le charme de Justin Long dans A Case of You (2013), est la femme de Mark Ruffalo dans Foxcatcher et celle de Bradley Cooper dans American Sniper (2015).

Toujours en 2015, l'actrice américaine intègre le Jury du Festival de Cannes entourée par les présidents Joel et Ethan Coen. Elle est aussi à l'affiche du thriller SF High-Rise et de la comédie culinaire À vif !, pour laquelle elle retrouve Cooper. On la voit ensuite dans le drame Under Pressure, le film de gangsters Live by Night, le film d’aventures The Lost City of Z et le biopic The Catcher Was a Spy. Dans le thriller American Woman, elle campe le personnage principal, une femme dont la fille disparaît mystérieusement dans une ville rurale.

En 2019, Sienna joue une inspectrice de police corrompue dans Manhattan Lockdown, aux côté du regretté Chadwick Boseman. Puis, elle apparaît dans plusieurs séries, comme The Loudest Voice, Anatomie d’un scandale et Extrapolations. En 2024, elle interprète le premier rôle féminin du western en trois films de Kevin Costner, Horizon : une saga américaine. Plus précisément, elle campe Frances Kittredge, dont la famille se fait tuer par une bande d'Apaches.