Уолтер М. Миллер-младший (полное имя — Уолтер Майкл Миллер-младший / Walter Michael Miller, Jr.) родился в Нью Смирна Бич, Флорида. В 1940 году поступил в Университет штата Теннесси. В 1942 году был призван на службу в ВВС, летал на бомбардировщиках стрелком-радистом, участвовал в 53 боевых вылетах в Италии и на Балканах. Удостоен Медали Воздуха с двумя дубовыми листьями. Участвовал в бомбардировке бенедиктинского монастыря Монте-Кассино в Италии, что оказало огромное влияние на его творчество.

В 1945 году женился на Анне Луизе Беккер. После окончания войны доучивался с 1947 по 1949 на инженерном отделении Техасского университета в Остине, хотя диплома так и не получил. В 1947 году принял католическое крещение.

После того, как в конце сороковых годов попал в автомобильную аварию, начал писать рассказы. Литературный дебют — рассказ «MacDoughal's Wife» (1950). Первый фантастический рассказ — «Secrets of of the Death Dome» (1951). В течение 50-х годов опубликовал полтора десятка рассказов и повестей. Новелла «Darfsteller» (1955) была удостоена премии Hugo как лучший фантастический рассказ года. В 1960 году опубликовал роман «A Canticle for Leibowitz» («Кантата в честь Лейбовица»), также удостоенный премии Hugo и являющийся одним из высочайших достижений американской фантастики. Этот роман стал последним художественным текстом, который Миллер закончил и опубликовал. В 1989 году он взялся писать продолжение этого романа и написал большую часть, однако слабеющее здоровье не позволило ему самому закончить его.

10 или 11 января 1996 года Уолтер Миллер застрелился. Причинами рокового выстрела считают глубокую депрессию после смерти жены и слабеющее здоровье. Роман «Saint Leibowitz and the Horse Woman» был закончен Терри Биссоном.