Diplômé de l'IDHEC, Claude Miller, qui fait son service militaire au Service cinématographique des armées, est à partir de 1965 assistant-réalisateur de Marcel Carné, Robert Bresson, Michel Deville, Jacques Demy et Jean-Luc Godard, et directeur de production de Truffaut, de 1968 à 1975.

En 1975, son premier long métrage La meilleure façon de marcher, cet air incontournable des colonies de vacances, offre à Patrick Dewaere un de ses meilleurs rôles, et récolte d'emblée six nominations aux César. Suit une filmographie dense et éclectique.

Après avoir dirigé Gérard Depardieu et Miou-Miou dans Dites-lui que je l'aime (1977), tiré de Ce mal étrange de Patricia Highsmith, Miller passe au polar avec Garde à vue (1981) qui réunit Michel Serrault, Lino Ventura et Romy Schneider, et reçoit quatre César dont celui du meilleur scénario. Mortelle Randonnée (1982), thriller âpre et poétique, lui permet de retrouver Serrault, avec Isabelle Adjani.

L'Effrontée (1985) révèle Charlotte Gainsbourg, adolescente de 13 ans que l'on retrouvera dans La petite voleuse (1988). Suivront notamment L'Accompagnatrice avec Richard Bohringer et sa fille Romane, Le Sourire (1993), La Classe de neige (1998), sur le roman d'Emmanuel Carrère.

En 2003, Miller réalise La petite Lili, adapté de Tchekhov, suivi en 2007 de Un secret, dans la France d'après-guerre, avec Patrick Bruel et Cécile de France.

Son dernier film, Thérèse D. (2011), inspiré du roman Thérèse Desqueyroux de François Mauriac, clôturera le Festival de Cannes 2012.