Miller đính hôn với bạn diễn trong Alfie, Jude Law vào giáng sinh năm 2004. Ngày 8 tháng 6 năm 2005, Law đã công khai xin lỗi với Miller về việc dính dáng tới vú em của các con anh. Miller cũng được cho rằng đã qua lại với Daniel Craig. Sau những tai tiếng trên, cặp đôi chia tay vào tháng 11 năm 2006.

Năm 2008, Miller công khai quan hệ với nam diễn viên Balthazar Getty. Sau đó Miller đã kiện hai tờ báo lá cải ở Anh vì đã công bố những bức ảnh thân mật của cô và Getty.

Law và Miller được cho là đã hàn gắn mối quan hệ của họ sau đêm diễn ở Broadway vào cuối năm 2009. Họ cùng nhau đón giáng sinh ở Barbados, cùng với ba đứa con của Law. Tuy nhiên tháng 2 năm 2011, cặp đôi thông báo sẽ chia tay.

Cô bắt đầu hẹn hò với nam diễn viên Tom Sturridge từ năm 2011 và hiện giờ hai người đang đính hôn. Ngày 7 tháng 7 năm 2012, họ chào đón con gái đầu lòng, tên Marlowe Ottoline Layng Sturridge.

Mẹ kế của Miller, Kelley Hoppen, là một nhà thiết kế nội thất và một doanh nhân thành đạt.

Scandal bị hack điện thoại

Theo như tòa án vào tháng 5 năm 2011, Miller đã chấp nhận mức bồi thường 100,000 bảng Anh từ tờ News of the World sau khi tờ báo này thừa nhận đã hack điện thoại của cô[4]