Elizabeth Miller est née le 23 avril 1907 à Poughkeepsie dans l'État de New York aux États-Unis. Lee Miller fut une femme extraordinaire à la beauté légendaire, si bien que les hommes les plus célèbres tombaient un à un sous son charme : Man Ray, Picasso, Roland Penrose et d’autres... Elle sera tour à tour modèle, photographe puis journaliste. Pourtant elle revient de loin ! Victime d’un viol à 7 ans par « un ami de la famille », comme elle l’écrit dans son carnet intime, elle assistera plus tard à la mort soudaine de son petit ami sous ses yeux à 18 ans. En 1925, Lee Miller entreprend des études de théâtre et d'arts plastiques à l'École des beaux-arts de Paris puis à New York à partir de 1927, où elle pose pour des photographes, dont son père et aussi, Edward Steichen ou George Hoyningen-Huene. Elle travaille comme mannequin pour le magazine Vogue.
En 1929, elle quitte l'Amérique pour Paris et fait la connaissance de Man Ray avec qui elle vit et auprès de qui elle apprend le métier de photographe. En 1930, elle s'établit à son compte. Elle interprète le rôle de la statue dans le film de Jean Cocteau « Le Sang d'un poète ». Lee Miller quitte Man Ray et revient à New York en 1932 où elle ouvre son propre studio. La galerie Julian Levy organise sa première exposition personnelle. Deux ans plus tard, elle épouse Aziz Eloui Bey, un riche homme d'affaires égyptien et ils s'installent au Caire. Elle photographie alors le désert et des sites archéologiques, et produit une photo connue Portrait of Space. Lors d'un voyage à Paris en 1937, elle fait la connaissance de l'écrivain surréaliste anglais Roland Penrose. Elle fréquente le groupe des surréalistes et devient un modèle pour Pablo Picasso qui réalise de nombreux portraits d'elle.
En 1940, Lee Miller travaille à Londres pour le magazine Vogue. En 1942, elle devient correspondante de guerre au sein de l'armée américaine et ses reportages et photographies sont publiés dans Vogue. De 1944 à 1946, en équipe avec David Sherman, photographe du magazine Life, elle suit l'armée américaine depuis le débarquement en France jusqu'en Roumanie, en passant par l'Allemagne, l'Autriche et la Hongrie. Elle témoigne de la vie quotidienne des soldats et découvre les camps de concentration de Buchenwald et Dachau. Ses photographies, dont celle de deux soldats ouvrant en pleine clarté un camion rempli de cadavres entassés, sont les premières à révéler le concret de l'horreur des camps. Il lui faudra écrire à Vogue et certifier que les clichés sont authentiques pour que le magazine les publie. Elle réalise avec David E. Scherman, alors correspondant de Life, l'une de ses plus célèbres photos, son autoportrait prenant un bain dans la baignoire personnelle d'Hitler à Prinzregentenplatz, son appartement privé de Munich. Miller en tant qu’artiste nous interroge sur la place de la femme pendant et après la guerre. Dans son cas, cette expérience a été aggravée par la dépression, elle était toujours hantée par ce qu'elle avait vu en Europe.
En 1946, avec Roland Penrose, Lee Miller rend visite à Max Ernst et son épouse Dorothea Tanning, en Arizona. Penrose et Lee Miller se marient l'année suivante, en Angleterre et ont un fils Anthony. De 1948 à 1973, elle poursuit son travail pour Vogue Magazine et ses photos illustrent les ouvrages de Penrose, Picasso et Antoni Tàpies. En 1949, Lee Miller s'installe avec son mari à Farley Farm House (en) dans le Sussex en Angleterre. Elle meurt dans sa résidence d'un cancer en 1977.
Son fils, Anthony Penrose, a fondé les archives Lee Miller dans le Sussex et a publié plusieurs livres sur la vie et l'œuvre de sa mère. Les archives de Lee Miller sont visibles ici : http://www.leemiller.co.uk/