Millie Bobby Brown è nata in Andalusia nel 2004, da genitori britannici che gestivano un locale in Spagna.
La famiglia si trasferisce prima a Bournemouth nel Regno Unito e successivamente a Orlando, in Florida negli Stati Uniti, dove Millie comincia a frequentare un corso di recitazione. Qui viene notata da un'agente di Hollywood che consiglia ai genitori della ragazza di portare la figlia a Los Angeles per delle audizioni.

Il suo primo ingaggio arriva nella serie C'era una volta nel Paese delle Meraviglie nel 2013. In seguito a questa prima esperienza, Millie ottiene poi diversi ruoli in serie di successo. Ma il reale successo arriva a 12 anni, nel 2016, quando viene scelta per interpretare il ruolo della protagonista nella serie Netflix Stranger Things. Il ruolo di Undici, ragazzina con poteri soprannaturali, le fa conquistare due candidature agli Screen Actors Guild Award alla miglior attrice in una serie drammatica e due al Premio Emmy alla miglior attrice non protagonista, divenendo la più giovane attrice a ottenere la candidatura.
Due anni dopo viene scelta per interpretare la protagonista di un nuovo titolo Netflix, di cui è anche produttrice, incentrato sul primo libro della saga di Enola Holmes scritta da Nancy Springer. Nel 2019 è invece nel film Godzilla II - King of the Monsters, mentre nel 2020 ha annunciato che reciterà e produrrà un film intitolato The Girls I've Been.
Ha lavorato anche come modella per Calvin Klein. Nel 2019 è ambasciatrice della campagna Together #WePlayStrong della UEFA, e nello stesso anno annuncia la sua linea di make-up chiamata Florence By Mills.