Millie è nata in spagna da genitori inglesi. La sua famiglia si è trasferita a Orlando, in Florida (USA) nel 2011, dove Millie, durante un workshop di recitazione frequentato per passare il tempo, è stata notata da una talent scout, che ha consigliato ai genitori di mettere a frutto ad Hollywood la sua bravura nel recitare. La famiglia di Millie si è così spostata a Los Angeles, dove Millie ha incontrato diversi agenti, che si sono tutti offerti di rappresentarla. A tre mesi dal trasferimento, le è stato offerto il ruolo di Alice da giovane in "Once Upon a Time", seguito a novembre 2013 dall'offerta del ruolo di Madison O'Donnel in "Intruders, della BBC America. Nel 2015 viene scelta per il ruolo di Undici nella serie tv targata Netflix Stranger Things, mentre nel 2019 fa il suo debutto al cinema come co-protagonista nel film Godzilla II - King of the Monsters.