De son vrai nom Johnnie Lucille Ann Collier en Chireno, Ann Miller est née au Texas, fille de Clara, Emma (née Birdwell) et d'Alfred John Collier, un avocat pénaliste qui a représenté Bonnie Parker, Clyde Barrow et Baby Face Nelson, entre autres. Sa grand-mère maternelle était cherokee. Son père a insisté sur le nom Johnnie parce qu'il voulait un garçon, mais elle était souvent appelée Annie. Elle a pris des leçons de danse pour exercer ses jambes et lutter contre le rachitisme (maladie de la croissance). Elle a été considérée comme une enfant prodige de la danse. Dans une interview vedettes d'un «behind the scenes» documentaire sur la réalisation de "That's Entertainment III", la représentante a dit que Eleanor Powell a été très vite une source d'inspiration.
Ann Miller s'est vu confier un contrat avec la RKO, à l'âge de treize ans (elle leur avait dit qu'elle en avait dix-huit), et y est restée jusqu'en 1940. L'année suivante, Miller s'est vu offrir un contrat à la Columbia Pictures, où elle a rencontré une amie Lucille Ball considérée comme la reine des séries B. Elle trouve enfin ses marques (à partir de la fin des années 40) dans des comédies musicales de la MGM telles que : "Kiss Me, Kate", "Easter Parade", et "On the Town".
Miller était réputé pour sa vitesse de claquettes, elle a affirmé être en mesure de claquer 500 fois par minute. Sa carrière cinématographique effectivement pris fin en 1956 alors que le cinéma était en perte de vitesse face à la télévision, mais elle est restée active dans le théâtre et la télévision. En 1979, elle a sidéré le public dans le spectacle de Broadway avec Sugar Babies boursier MGM vétéran Mickey Rooney, qui ont tourné abondamment aux États-Unis après son Broadway run. En 1983, elle a remporté le Prix Sarah Siddons pour son travail au théâtre de Chicago.
Elle est apparu en 1982 dans un épisode de "The Love Boat" (la croisière s'amuse), rejoint par d'autres légendes : Ethel Moerman, Carol Channing, Della Reese, Van Johnson, et Cab Calloway. En 2001, elle a obtenu son dernier rôle, en jouant Coco dans " Mulholland Drive" du réalisateur David Lynch, encensé par la critique. Sa dernière prestation sur scène est une production de 1998 de Stephen Sondheim's Follies, et a reçu des critiques dithyrambiques pour son interprétation dans "I'm Still Here".
Miller a aussi fait une apparition sur guest Home Improvement comme instructeur de danse à Tim et Jill. Pour sa contribution à l'industrie cinématographique, Ann Miller possède une étoile sur le Hollywood Walk of Fame au 6914 Hollywood Blvd.
Elle est décédée à l'âge de 80 ans d'un cancer des poumons, et a été enterré dans le cimetière de Sainte-Croix à Culver City, en Californie.