Su verdadero nombre era Johnnie Lucille Collier, y nació en el Hospital de San José en Houston, Texas.A los 13 años de edad Miller había sido contratada como bailarina del "Black Cat Club" en San Francisco (California), siendo allí descubierta por Lucille Ball y por el cazatalentos y cómico Benny Rubin.Gracias a ello, en 1936, con trece años de edad, fue contratada por RKO Pictures.Al año siguiente Columbia Pictures también le ofreció un contrato a Miller.Su carrera cinematográfica finalizó en 1956, al perder audiencia el cine basado en un sistema de estudios en favor de la televisión, aunque Miller siguió activa en este último medio y en el teatro.El matrimonio apenas duró tres años, ya que Bill murió.En 1961 se casó por tercera vez con Arthur Cameron, que había tenido cinco mujeres y varias amantes.Pero, poco después Ann se cayó y fue ingresada en el Hospital Cedras-Sinai en Beverly Hills.
Retrato publicitario de Ann Miller para la película Easter Parade (1948).
