Miller bước vào sự nghiệp giữa thời kỳ thuyết hành vi giữ vị trí thống trị trong nghiên cứu tâm lý học. Lập luận thường thấy nằm ở tính quan sát được, như vậy hành vi thì quan sát được còn các quá trình tâm thần thì không. Do đó, quá trình tâm thần không phải là đối tượng hợp lý dành cho nghiên cứu. Miller không đồng ý. Ông cùng những người khác như Jerome Bruner và Noam Chomsky đã sáng lập ra lĩnh vực Tâm lý học nhận thức, chấp nhận việc nghiên cứu quá trình tâm thần là nền tảng để hiểu được hành vi phức tạp. Những năm kế tiếp, cách tiếp cận nhận thức này phần lớn đã thay thế thuyết hành vi một cách rộng rãi để trở thành khuôn mẫu chi phối nghiên cứu tâm lý học.[5]

Trí nhớ hoạt động

Từ thời William James, các nhà tâm lý học đã phân biệt trí nhớ ngắn hạn với dài hạn. Trí nhớ ngắn hạn dường như được hiểu là có giới hạn, nhưng không ai biết gì về giới hạn đó. Năm 1956, Miller đã đưa ra một con số giới hạn trong bài báo "The Magical Number Seven, Plus or Minus Two" (Số 7 kỳ diệu, ±2). Con số này thu được từ các thí nghiệm như yêu cầu một người lặp lại tập hợp các chữ số, đưa ra kích thích cùng một nhãn rồi yêu cầu nhớ lại nhãn đó, hoặc yêu cầu đếm nhanh số lượng trong một nhóm. Trong cả ba trường hợp, Miller nhận thấy giới hạn trung bình nhớ được là 7. Về sau, Miller có nhiều cảm xúc lẫn lộn khi nhắc đến bài báo của mình, cho rằng nó thường bị trích dẫn sai, và nói đùa rằng một số nguyên đang bắt bớ mình.[1] Miller phát minh ra thuật ngữ chunk (chia nhỏ/gộp thành nhóm đơn vị) để mô tả cách đối phó với giới hạn trong trí nhớ này, nhóm các yếu tố một cách hiệu quả để giảm số lượng cần ghi nhớ. Mỗi chunk có thể là một chữ cái đơn lẻ, một từ hoặc thậm chí một tổ hợp đơn vị quen thuộc với người tham gia. Những ý tưởng này (cùng một số ý liên quan) đã ảnh hưởng mạnh mẽ đến lĩnh vực tâm lý học nhận thức mới chớm nở.[15]

WordNet

Bắt đầu từ năm 1986 và kéo dài trong nhiều năm, Miller đứng ra chỉ đạo sự phát triển của WordNet, nguồn tham chiếu điện tử lớn mà máy tính đọc được, có thể sử dụng trong các ứng dụng như công cụ tìm kiếm.[12] WordNet là cơ sở dữ liệu từ vựng lớn đại diện cho trí nhớ ngữ nghĩa con người trong tiếng Anh. Nền tảng cơ bản của WordNet là synset (dãy từ đồng nghĩa). Synset là tập hợp các từ đồng nghĩa đại diện cho một khái niệm hoặc ý tưởng. Từ có thể nằm trong nhiều synset. Toàn bộ lớp synset được nhóm thành danh từ, động từ, tính từ và trạng từ riêng biệt, liên kết chỉ tồn tại trong bốn nhóm chính này mà không vượt ra giữa các nhóm. Còn hơn cả một ý điển, WordNet chứa đựng quan hệ liên từ một phần hoặc toàn bộ cũng như phân cấp trong đó.[16] Dù không có mục đích từ điển nhưng qua thời gian, WordNet đã có nhiều định nghĩa ngắn gọn cho các từ. Miller và đồng sự lên kế hoạch cho công cụ này để kiểm tra lý thuyết ngôn ngữ tâm lý học về cách con người sử dụng và hiểu các từ.[17] Về sau, Miller cũng hợp tác chặt chẽ với doanh nhân Jeff Stibel và các nhà khoa học tại Simpli.com Inc. về công cụ tìm kiếm từ khóa dựa trên ý nghĩa theo WordNet.[18]

Tâm lý học ngôn ngữ

Miller là một trong những người sáng lập ra Ngôn ngữ tâm lý học, kết nối ngôn ngữ và nhận thức để phân tích việc sáng tạo và sử dụng ngôn ngữ.[1] Quyển Language and Communication (Ngôn ngữ và giao tiếp) mà Miller xuất bản năm 1951 được coi là tác phẩm khai sáng trong lĩnh vực này.[5] Cuốn sách về sau của Miller là The Science of Words (Khoa học từ ngữ) năm 1991 cũng tập trung vào tâm lý học ngôn ngữ.[19] Cùng với Noam Chomsky, ông xuất bản các bài báo về hai lĩnh vực mới là các khía cạnh toán học, tính toán của ngôn ngữ và cú pháp học.[20][21] Miller cũng nghiên cứu sự hiểu biết của con người về câu từ là vấn đề mà công nghệ nhận dạng tiếng nói nhân tạo cũng phải đối mặt. Năm 1960, Miller cùng Eugene Galanter và Karl H. Pribram xuất bản cuốn Plans and the Structure of Behavior (Kế hoạch và cấu trúc hành vi) khám phá cách con người lập kế hoạch và hành động, thử ngoại suy điều này tới việc lập trình robot có thể lên kế hoạch và hành động.[1] Miller cũng nổi tiếng với định luật mang tên mình: "Để hiểu người khác đang nói gì, phải giả định điều đó là chính xác và thử suy tưởng đúng ra sao".[22]