Образование высшее, кандидат экономических наук. С 1979 по 1984 год учился в Ленинградском финансово-экономическом институте, окончил по специальности "экономист". С 1984 по 1986 год - инженер-экономист ЛенНИИпроекта. С 1986 по 1989 год - аспирант ЛенНИИпроекта. В 1990 году работал младшим научным сотрудником ЛенНИИпроекта.
В 1990-1991 годах работал в Комитете по экономической реформе исполкома Ленсовета.
С 1991 - 1996 годах начальник отдела, заместитель начальника управления, заместитель председателя комитета внешнеэкономических связей мэрии Санкт-Петербурга. Председателем комитета был Владимир Путин. Затем Алексей Миллер стал начальником управления комитета по внешним связям Ленсовета.
В 1996 - 1999 годах работал начальником управления по развитию и инвестициям ОАО "Морской порт Санкт-Петербурга".
В 1999 - 2000 годах был генеральным директором ОАО "Балтийская трубопроводная система", 100% акций которой принадлежит компании "Транснефть". Компания "Балтийская трубопроводная система" занимается строительством нефтепроводов и терминалов в Ленинградской области, которые должны избавить российской экспорт нефти от прибалтийского транзита.
31 июля 2000 года назначен заместителем министра энергетики. Курировал вопросы международного сотрудничества.
Возглавлял с российской стороны российско-кувейтскую межправительственную комиссию по экономическому, научно-техническому и культурному сотрудничеству.
В феврале 2000 года предлагался Правительством РФ на пост члена совета директоров компании "Роснефть".
Возглавлял российскую делегацию на Конференции ОПЕК, проходившей в марте 2001 в Вене. На Конференции состоялись двусторонние встречи Алексея Миллера с министрами нефти Алжира, Венесуэлы, Кувейта, Саудовской Аравии, а также с генеральным секретарем ОПЕК Али Родригесом.
30 мая 2001 назначен председателем правления "Газпрома". За Алексея Миллера проголосовали все 11 членов совета директоров компании, в том числе и Рэм Вяхирев.
После новостей об избрании Миллера на этот пост на лондонской фондовой бирже резко вырос курс акций "Газпрома" (с 8,1 до 9,05 долларов), а на московской фондовой бирже акций "Газпрома" было продано на 10 миллионов долларов.
Алексей Миллер женат, имеет сына.
