Frank Miller a grandi à Montpelier, dans le Vermont. Il commença sa carrière dans la bande dessinée comme dessinateur chez des éditeurs de premier plan comme Gold Key, DC Comics ou Marvel Comics. C'est une histoire en deux parties publiée dans le magazine de Marvel Spectacular Spider-Man qui attira l'attention sur lui. Il fut bientôt nommé dessinateur de Daredevil, série dont il ne tarda pas à devenir aussi le scénariste. Le passage de Miller sur Daredevil fut salué par le public et par la critique. Il créa le personnage d'Elektra et mit en place de nombreux éléments dans l'univers de l'homme sans peur que l'on peut retrouver, entre autres, dans le film de 2003. L'époque Miller de « Daredevil » dura le temps de 42 épisodes qui redéfinirent radicalement non seulement le personnage mais l'ensemble de la production Comics des années 1980. Le summum étant atteint par le cycle "Renaissance" (Born Again) écrit par Miller et dessiné par David Mazzucchelli en 1985.
A ce jour, l'oeuvre la plus connue et la plus achevée de Frank Miller est Dark Knight (Batman: The Dark Knight Returns), une histoire glauque de
Batman située dans un futur proche. Il y met en scène un Batman violent et extrémiste et met à mal le mythe du justicier détective. Miller a réalisé une suite à cette oeuvre, Batman: The Dark Knight Strikes Again (ou DK2).
En plus de travailler sur les personnages des grandes compagnies de comics, Miller a créé ses propres séries : les séries de science-fiction Ronin, Martha Washington avec Dave Gibbons et Big Guy And Rusty The Boy Robot et Hard Boiled avec Geoff Darrow, les séries de l'univers roman noir de Sin City ou la série pseudo-historique 300.
Frank Miller a aussi écrit quelques scénarios pour le cinéma, en particulier ceux de
Robocop 2 et
3. Il a co-réalisé avec Robert Rodríguez l'adaptation grand écran de Sin City en 2005. Il prépare actuellement Sin City 2 pour le cinéma.
En 2005, il lance sous le nouveau label All-Star de DC, la série All-Star Batman and Robin The Boy Wonder, dessinée par Jim Lee, mettant en scène la formation de Robin par
Batman. Bien que située en dehors de la continuité officielle du personnage, elle s'intègre selon ses propres dires dans le cadre des aventures de Batman qu'il a écrites, en suite à Batman : Année Une, un arc de la série Batman (#404-407, 1987) illustré par David Mazzucchelli traitant des débuts de Batman.
En 2007, grâce à l'énorme succès des deux films adaptés de son oeuvre Sin City et de 300, il se lance dans l'adaptation de la bande dessinée Le Spirit de Will Eisner. Le film,
The Spirit, avec
Gabriel Macht dans le rôle du justicier du même nom, est sorti en France fin 2008.