Diplomé de l'IDHEC (ex-Fémis), et après avoir effectué son service militaire au sein du service cinématographique des armées, Claude Miller débute dans le cinéma dans les années 60 comment assistant-réalisateur de Marcel Carné (Trois chambres à Manhattan) Jacques Demy (Les demoiselles de Rochefort), Michel Deville... il est aussi directeur de producteur sur certains films de Truffaut.
Après des court-métrages, il se lance dans le long avec La meilleure façon de marcher (1976) avec Patrick Dewaere et Patrick Bouchitey. Suivra une filmographie dense et ecclectique, qui l'imposera comme un réalisateur tout terrain, capable de passer du polar en huis-clos à la Garde à vue (Lino Ventura, Michel Serrault, Romy Schneider, Guy Marchand, et 4 César en 1982) à la chronique adolescente (L'effrontée, avec Charlotte Gainsbourg), du drame psychologique "académique" (La classe de neige) à la comédie intimiste expérimentale (La chambre des magiciennes)...
Après le portrait de femme Betty Fisher et autres histoires, avec Sandrine Kiberlain, Nicole Garcia et Mathilde Seigner, une mise en abyme du cinéma et drame sentimental avec La petite Lili (Ludivien Sagnier, Nicole Garcia, Robinson Stevenin), il revient en 2007 avec Un secret, pour lequel il dirige Cécile de France, Patrick Bruel, Ludivine Sagnier, Mathieu Amalric, Julie Depardieu.En 2009, il coréalise avec son fils Nathan Miller le film Je suis heureux que ma mère soit vivante.
Deux ans après, il signe Voyez comme ils dansent avec Marina Hands. Alors qu'il tourne son dernier film, Thérèse D., adaptation du roman de François Mauriac (intitulé Thérèse Desqueyroux, paru en 1927) avec Audrey Tautou, Gilles Lellouche et Francis Perrin, il meurt le 4 avril 2012. Il avait 70 ans.
