Millie è nata in spagna il 19 Febbario 2004 da genitori inglesi. La sua famiglia si è trasferita a Orlando, in Florida (USA) nel 2011, dove Millie, durante un workshop di recitazione frequentato per passare il tempo, è stata notata da una talent scout, che ha consigliato ai genitori di mettere a frutto ad Hollywood la sua bravura nel recitare.

La famiglia di Millie si è così spostata a Los Angeles, dove Millie ha incontrato diversi agenti, che si sono tutti offerti di rappresentarla. A tre mesi dal trasferimento, le è stato offerto il ruolo di Alice da giovane in "Once Upon a Time", seguito a novembre 2013 dall'offerta del ruolo di Madison O'Donnel in "Intruders", della BBC America. Nel 2015 viene scelta per il ruolo di Undici nella serie tv targata Netflix "Stranger Things", mentre nel 2019 fa il suo debutto al cinema come co-protagonista nel film "Godzilla II - King of the Monsters".

Nel 2018 incomincia a collaborare alla realizzazione di una serie di film incentrati su Enola Holmes, giovane detective e sorella minore del celebre Sherlock Holmes. Il primo film, "Enola Holmes", uscito nel 2020 in esclusiva sulla piattaforma Netflix con la regia di Harry Bradbeer.

Nel 2021 torna al cinema con il film "Godzilla v Kong", mentre nel 2022 torna a vestire i panni prima di Undici nella 4° stagione di "Stranger Things" e poi successivamente di Enola Homes nel film "Enola holmes 2" uscito su Netflix,

Ad aprile 2023 annuncia il suo fidanzamento ufficiale con Jake Bongovi. Sempre in quell’anno a settembre pubblica la sua prima novella Ninteen steps.

Nel 2024 precisamente l’8 marzo Netflix rilascia globalmente “Damsel” film di Juan Carlos Fresnadillo.