Vào năm 2001, cô tham gia bộ phim đầu tay South Kensington cùng với Rupert Everett và Elle Macpherson, sau đó thủ một vai trong sê ri phim truyền hình Keen Eddie. Năm 2004, Miller có một vai phụ trong bộ phim làm lại Alfie, diễn xuất cùng Jude Law và phim kinh dị Layer Cake. Năm 2005, Miller vào vai nữ đối đầu với Heath Ledger trong bộ phim hài tình cảm Casanova và vai Edie Sedgwick trong Factory Girl, công chiếu ngày 29 tháng 12 năm 2006. Năm 2007, Miller có một vai nhỏ trong bộ phim Stardust của Matthew Vaughn và Camille cùng James Franco.

Năm 2008, Miller xuất hiện trong bộ phim The Edge of Love dựa trên cuốn tiểu thuyết The Mysteries of Pittsburgh của Michael Chabon cùng với Keira Knightley. Năm 2009, Miller xuất hiện trong bộ phim chuyển thể từ bộ truyện tranh cùng tên G.I. Joe: The Rise Of Cobra, vai Phu nhân nam tước. Cô tham gia bộ phim Hippie Hippie Shake của hãng Working Title trong vai Louise Ferrier.

Năm 2012, Miller thủ vai chính trong bộ phim The Girl, một bộ phim của HBO nói về mối quan hệ giữa đạo diễn Alfred Hitchcock và nữ diễn viên Tippi Hedren.

Năm 2014, Miller xuất hiện trong Foxcatcher của đạo diễn Bennet Miller và American Sniper của Clint Eastwood.

Trong năm 2015, cô tham gia 2 bộ phim: High-Rise và Burnt, cô tiếp nhận vai diễn từ Emma Stone sau khi nữ diễn viên này phải tạm xa phim trường từ ngày 15 tháng 2 và sẽ chỉ xuất hiện trong 6 tuần cuối cùng, bắt đầu từ ngày 29 tháng 3. Miller được chọn vào ban hội thẩm cho phần thi chính của Liên hoan phim Cannes 2015. Cô cũng tham gia diễn xuất trong bộ phim Live by Night của Ben Affleck, công chiếu vào cuối năm 2016. Cô xuất hiện bên cạnh Brendan Fraser, Kristen Wiig, Isla Fisher, Lena Headey, Harriet Walter, Anna Kendrick, Felicity Jones, Ross Lynch, Selena Gomez, Amanda Seyfried and Clive Owen trong bộ phim kinh thánh Dawn of Blood.