Sienna, cuyo nombre completo es Sienna Rose Miller, nació el 28 de diciembre de 1981 en la ciudad de Nueva York. Fue modelo antes que actriz, y en la actualidad da sus primeros pasos como diseñadora de moda. Es hija de Edwin Miller, un banquero estadounidense y de Josephine Miller, actriz y profesora de interpretación. Sus padres se separaron cuando ella contaba con seis años de edad.

Sienna tiene dos hermanas, Savannah, que es diseñadora de moda, y Natasha, nacida del tercer matrimonio de Edwin Miller, y dos hermanos, Charles y Stephen.

Se puede decir que Sienna es medio estadounidense y medio inglesa porque, aunque nació en Nueva York, se mudó de niña a Inglaterra con su familia tras la separación de sus padres. Allí asistió al Heathfield School en Ascot, Berkshire. Más tarde se mudó a su ciudad natal para estudiar en el instituto Lee Strasberg.

Antes de comenzar su carrera como actriz, trabajó como modelo. A través de la agencia Tandy Anderson consiguió importantes contratos con prestigiosas marcas como Coca-Cola, la revista Vogue, Prada, Pepe Jeans, y hasta participó en el Calendario Pirelli de 2003.

En el año 2001 hizo su debut en el cine con South Kensington, junto a Rupert Everett y Elle Macpherson. En 2002 apareció en los filmes 'High Speed' y 'The Rider', además de participar en varios episodios de la serie 'Bedtime'. Un año más tarde protagonizó la serie 'Keen Eddie'. En 2004 formó parte del reparto de 'Alfie', película protagonizada por Jude Law, quien se convertiría en la pareja de Sienna hasta 2005. Por su papel en 'Alfie' fue nominada a los premios 'Empire'.

En 2005 tuvo un papel protagonista junto a Heath Ledger en Casanova. Es uno de sus mayores éxitos hasta ahora y supuso un fuerte empujón a su carrera como actriz.
En 2006 protagonizó 'Factory Girl', una película controvertida con la que recibió críticas positivas por encarnar a la actriz Edie Sedgwick. También en este año posó para la revista Vanity Fair en topless y fumando un cigarrillo.

Al año siguiente fue portada de la edición norteamericana de la revista Vogue. Y volvió a ser protagonista en el cine, en el filme Interview, dirigido por Steve Buscemi. Su actuación le valió una nominación como mejor actriz en los Independent Spirit Awards de ese año. También formó parte del reparto de Stardust, una película de fantasía épica junto a Michelle Pfeiffer y Robert De Niro.

En 2005, mientras la carrera profesional de Sienna estaba en lo más alto, algo perturbó su vida personal e hizo que una de las parejas más envidiadas y cool del momento sufriera una crisis de la que no se pudo recuperar. El compromiso entre Sienna y Jude Law, saltó por los aires el 18 de julio de 2005. Jude Law, el novio de Sienna desde que se conocieran en el rodaje de Alfie, se disculpó públicamente por tener una aventura amorosa con Daisy Wright, la niñera de los hijos que el actor tuvo con la actriz Sadie Frost.
Al mismo tiempo, se rumoreaba que Sienna estaba teniendo una relación con un amigo de Jude, el también actor Daniel Craig