Também é roteirista e produtor. Estreou como diretor aos 34 anos com o Road-Movie Mad Max (1979), que fez muito sucesso na época e o tornou conhecido – tanto que gerou duas sequências (em 1982 e 1985). Porém Miller dirigiu também algumas outras produções de estilo bem diferente da trilogia estrelada por Mel Gibson. Após o fracasso do terceiro filme do guerreiro das estradas (já filmado nos EUA), Miller voltou a dirigir um filme que fez muito sucesso, As Bruxas de Eastwick (1987), que tinha um elenco estelar (Jack Nicholson, Susan Sarandon, Michelle Pfeiffer, Cher).
Anos depois talvez tenha dirigido seu mais belo filme: o excelente O Óleo de Lorenzo (1992), novamente com Susan Sarandon, que faz a mãe de um garoto que a partir dos 7 anos apresenta uma doença rara. Miller além de cineasta também era médico, e ao ler essa estória real num jornal resolveu fazer o filme. Trata-se de uma bela estória de dedicação de um casal que passa a estudar medicina de forma autodidata a fim de encontrar a cura para a doença do filho (quem faz o pai é Nick Nolte, numa atuação memorável).
Em meados dos anos 90 Miller resolve retornar à Austrália e lá roda um filme totalmente diferente do habitual: Babe, o porquinho atrapalhado (1995). Nesta produção os grandes “atores” são os animais de uma fazenda, especialmente o porquinho rosa que dá nome ao filme. Foi um sucesso tão grande que concorreu ao Oscar de melhor filme na época e depois teve uma continuação, Babe, o porquinho atrapalhado na cidade (1998).
Recentemente o diretor australiano esteve um tanto ausente do comando de novas produções, mas retornou com um bom trabalho na animação Happy Feet – O Pinguim (2006) e atualmente Miller procura viabilizar a produção do filme Liga da Justiça, que chegou a ter inclusive elenco escalado e filmagens iniciadas mas teve seu projeto a princípio suspenso pelo estúdio Warner Bros.