Claude Miller nasce a Parigi nel 1942; quasi ventenne, tra il 1962 e il '63 frequenta la scuola di cinema IDHEC dove comincia a fare conoscenza delle tecniche di regia ma anche di sceneggiatura e di produzione. Mentre presta servizio militare, presso il Servizio Cinema dell'Esercito, fa le sue prime esperienza pratiche e tra il 1965 e il 1974 ha la possibilità di lavorare con molti dei più grandi registi della Nouvelle Vague francese. Collabora, infatti, con Robert Bresson e Jean-Luc Godard ma diventa allievo a tutti gli effetti di François Truffaut. Nel 1976 esordisce come regista con Il modo migliore di camminare (La Meilleure facon de marcher, 1976) che, come i lavori successivi, sembra un omaggio allo stile del suo mentore. Spesso, infatti, i due registi addirittura si avvalevano dell'aiuto del medesimo "cast di produzione". Nel corso di tutti gli anni '60 e i primi '70 lavora come "production manager" in vari film di Truffaut e al tempo stesso si dedica a lavori propri come il suo secondo film Gli aquiloni non muoiono in cielo (Dites-lui que je l'aime, 1977) e Guardato a vista (Garde à vue, 1981) tratto da un romanzo noir inglese. Nella maggior parte delle sue opere continua ad essere incisiva l'influenza stilistica del suo maestro, prima tra tutte La piccola ladra (La Petite voleuse, 1988), storia di un'adolescente abbandonata interpretata da Charlotte Gainsbourg. Il film era inizialmente un progetto di Truffaut ma, quando questo nel 1984 muore, Miller subentra al suo posto e lo porta a termine. Nel 1992 dirige L'accompagnatrice (1992) e poi due anni dopo Il sorriso (Le sourire, 1994) con Emmanuelle Seigner come protagonista. Nei successivi anni collabora alla realizzazione di alcuni film e nel 2001 si dedica nuovamente ad una storia dalle tinte scure, Betty Fisher ed altre storie (Betty Fisher et autres histoires, 2001) protagonista una donna disperata che rapisce un ragazzino. L'ultimo lavoro che decide di dirigere è La piccola ladra (La Petite Lili, 2003) del quale scrive in parte la sceneggiatura e che è ispirato a Il Gabbiano di Anthon Checov.
Muore a Parigi all'età di 70 anni il 4 aprile 2012.