Penelope Ann Miller ha avuto la sua occasione d'oro diventando un'interprete stupendamente drammatica quando era giovane. Bravissima nei ruoli di borghese traumatizzata che si ritrova spesso in un vortice di sesso o follia, ha incarnato l'erotismo senza la minima necessità di togliersi un abito di dosso (anche se effettivamente, nella scena dello specchio di Carlito's Way, l'abito di dosso se l'era tolto eccome!). Sfortunatamente, non basta questo ingrediente per rimanere fra le stelle, ma ci vuole anche un pizzico di fortuna e un cucchiaio di intuito per i ruoli da interpretare, per i film da fare e per quelli da evitare. La Miller ha sbagliato o difettato in questo e da star è passata a supporter.
Figlia mezzana dell'attore e produttore televisivo Mark Miller e della costumista e stilista della MGM Beatrice Ammidown (che aveva come padrino Aristotele Onassis), sorella dell'attrice Marisa Miller, Penelope Ann Miller si sposta subito a New York City da Los Angeles, per studiare teatro, dopo essersi diplomata alla Palisades High School. Terminata la sua istruzione, comincia ad apparire in alcuni telefilm, in particolare Tales from the Darkside (1985), L'albero delle mele (1987) e Casa Keaton (1987).
Il suo debutto cinematografico è accanto al calciatore Pelé e a Mario Van Peebles nel film di Rick King Hotshot (1987), con il nome di Penelope Miller (l'Ann lo aggiungerà solo in seguito). Dopo essere apparsa in alcuni episodi di A cuore aperto (1987) e Miami Vice (1987) entra nel cast di Frenesie... militari (1988) con Christopher Walken, sul quale set si innamorerà perdutamente di Matthew Broderick. In seguito, sarà accanto a Kris Kristofferson nel singolare Big Top Pee-Wee - La mia vita picchiatella (1988) e a Richard Gere in Gli irriducibili(1988).
Nominata ai Tony Award come miglior attrice per lo spettacolo di Broadway "Our Town" (1989) di Thorton Wilder, con l'arrivo degli anni Novanta, diventa una delle star cinematografiche più richieste: recita il ruolo di Tina Sabatini, accanto a Marlon Brando ne Il boss e la matricola (1990), poi passa a I soldi degli altri (1991) con Danny DeVito e Gregory Peck, è accanto a Robert De Niro e Robin Williams in Risvegli (1990) e affianca Arnold Schwarzenegger nella commedia Un poliziotto alle elementari (1990), rendendosi indimenticabile accanto a Anthony Hopkins e Kevin Kline in Charlot (1992).
La sua carriera sfiora l'apice del successo quando lascia Broderick per Al Pacino, con il quale condividerà il set di Carlito's Way (1993) di Brian De Palma, con Sean Penn. Pellicola per la quale sarà anche nominata ai Golden Globe come miglior attrice non protagonista. Ma chiusa la storia con Pacino e cominciata una con Eric Thal, la Miller latiterà ai limiti dell'anonimato, diventando una mera attrice di supporto per grande e piccolo schermo. È la spalla di Dennis Hopper in Witch Hunt - Caccia alle streghe (1994) e nel frattempo sposa e divorzia (1994-1995) l'attore Will Arnett.
Nel 1998, entra nel cast di The Closer, per uscirne dopo solo 5 episodi e presenzia soprattutto film tv statunitensi, in larga parte inediti in Italia. Si sposa per la seconda volta: James Huggins la renderà infatti madre di una splendida bambina Eloisa May. Poi apparirà in Desperate Housewives - I segreti di Wisteria Lane (2005) con il ruolo di Fran Ferrara, in The Artist (2011) e in The Birth of a Nation (2016).
Attrice che sa offrire al pubblico interpretazioni molto intense, è oggi una bravissima caratterista, ammirata in molti film. Di gran talento e simpatica, ricorda un po' Nicole Kidman, ma non ha (ancora?) in pugno lo status di divinità, come la collega.
