Алексей Миллер родился 31 января 1962 года в Ленинграде в семье российских немцев. Мать — Людмила Александровна Миллер (1936—2009), отец — Борис Васильевич Миллер (1935—1986). Родители работали в НИИ радиоэлектроники Министерства авиационной промышленности СССР, который позднее был преобразован в НПО «Ленинец». Мать работала инженером, отец — слесарем-сборщиком, умер от рака.Родители похоронены на Киновеевском кладбище Санкт-Петербурга. Миллер учился в школе № 330 Невского района города Ленинграда.
В 1984 году окончил Ленинградский финансово-экономический институт им. Н. А. Вознесенского.
В 1980-х годах входил в круг ленинградских экономистов-реформаторов, неформальным лидером которых был Анатолий Чубайс; в 1987 году был членом клуба «Синтез» при Ленинградском дворце молодёжи, в который входили молодые ленинградские экономисты и обществоведы, среди которых: Дмитрий Васильев, Михаил Дмитриев, Андрей Илларионов, Борис Львин, Михаил Маневич, Андрей Ланьков, Андрей Прокофьев, Дмитрий Травин и другие.
1984—1986 — инженер-экономист ЛенНИИпроекта;
1987—1990 — аспирант ЛФЭИ им. Н. А. Вознесенского;
1990 — младший научный сотрудник ЛенНИИпроекта;
1990—1991 — работа в Комитете по экономической реформе Исполкома Ленсовета;
1991—1996 — работа в Комитете по внешним связям мэрии Санкт-Петербурга: начальник отдела, заместитель начальника управления, заместитель председателя Комитета (председателем комитета был В. В. Путин), занимался развитием инвестиционных зон города;
1996—1999 — директор по развитию и инвестициям ОАО «Морской порт „Санкт-Петербург“»;
1999—2000 — генеральный директор ОАО «Балтийская трубопроводная система»;
2000—2001 — заместитель министра энергетики Российской Федерации.
18 мая 2010 года избран вице-президентом Российского футбольного союза.
Во втором квартале 2012 года занял пост председателя совета директоров ОАО «Российские ипподромы»
Работа в «Газпроме» Править
С 2001 года — председатель Правления ПАО «Газпром». С 2002 года — заместитель председателя Совета директоров ПАО «Газпром».
В феврале 2016 года стало известно о продлении контракта с Миллером ещё на 5 лет.
В начале 2010 года глава Миллер занял третье место в рейтинге самых эффективных топ-менеджеров в мире по версии журнала Harvard Business Review. Эксперты изучили работу двух тысяч генеральных директоров компаний, эффективность работы гендиректоров измерялась по доходу акционеров за время нахождения в должности. При этом доход корректировался с учётом инфляции и средних показателей по стране и сектору экономики.