Née Rebecca Augusta Miller, elle est la fille du dramaturge Arthur Miller et de la photographe Ingeborg Morath. Elle grandit dans la prestigieuse résidence de l'Hotel Chelsea de New York. Elle a un frère, Daniel, né en 1966 avec le syndrome de Down. Daniel a été placé très jeune dans un centre spécialisé de Roxbury.
Rebecca Miller commence sa carrière comme peintre et sculptrice à Yale, où elle expose, avant de se tourner vers la scène. Elle joue dans The American Plan du club de théâtre de Manhattan, puis participe à la tournée de The Cherry Orchard, produit par Peter Brook pour l'académie de musique de Brooklyn. Elle apparaît ensuite à la télévision, dans le téléfilm en deux parties The Murder of Mary Phagan (NBC, 1988).
Par la suite, Miller consacre sa carrière au cinéma. Elle apparaît en 1991 dans Regarding Henry de Mike Nichols, interprétant la maîtresse d'Harrison Ford, puis joue dans Jeux d'adultes (Consenting Adults, 1992) l'épouse de Kevin Spacey.
En 1991, Miller concrétise son besoin d'« avoir le contrôle », et passe à l'écriture et la réalisation. Elle réalise le court-métrage Florence, avec Marcia Gay Harden. En 1992, elle met en scène sa première pièce, adaptation de After the Fall, œuvre autobiographique controversée de son père, mentionnant son union avec Marilyn Monroe. Son premier long-métrage, Angela, raconte l'histoire d'une petite fille qui s'imagine que les problèmes émotionnels de sa mère sont le fait du diable. Angela a remporté le trophée du Meilleur réalisateur au festival du film de Sundance de 1995.
Le 13 novembre 1996, Rebecca Miller épouse l'acteur Daniel Day-Lewis, qu'elle a rencontré alors qu'il préparait l'adaptation cinématographique de la pièce The Crucible avec Arthur Miller. Ils ont deux fils : Ronan Cal, né le 14 juin 1998, et Cashel Blake, né en mai 2002.