Sienna Rose Diana Miller New York'ta doğdu, ancak Londra, Birleşik Krallık'ta büyüdü. Amerika doğumlu olan babası Edwin "Ed" Miller, bir yatırım bankacısı ve Modern Çin tabloları satıcısıdır. Annesi Josephine "Jo" Miller, Güney Afrikalı bir model ve David Bowie'nin kişisel asistanıydı; New York'taki Lee Strasberg Tiyatro ve Film Enstitüsü'nde yöneticilik yaptı ve ardından yoga eğitmeni oldu. Sienna'nın Savannah Miller adında bir ablası vardır. 18 aylıkken aile Londra, Chelsea'ye taşınmıştır. Sienna hafta sonlarını vaftiz annesinin Wiltshire'daki çiftlik evinde ata binerek geçiriyordu. Sienna 6 yaşındayken anne ve babası boşandı. Sienna ve Savannah, göğüs kanseri tedavisi gören anneleriyle birlikte Parsons Green'e taşındı. Sienna'nın babası üç kez yeniden evlendi ve Virgin Adaları'na taşındı. 8 yaşındayken Ascot'taki Heathfield yatılı okuluna taşındı ve burada Lacrosse oynamaktan ve oyunculuk yapmaktan keyif aldı. 18 yaşına geldiğinde New York'a geri döndü ve Lee Strasberg Tiyatro ve Film Enstitüsü'ne kaydoldu. Bunu takiben seyahat etti, modellik, tiyatro yaptı ve filmlerde küçük roller aldı. BBC sitcom'u Bedtime'da (2001) çapkın bir model olarak rol aldı. Filmdeki çıkış rolü ise Matthew Vaughn'un Bir Dilim Suç (2004) filminde Daniel Craig'in aşık olduğu kız rolüydü. Alfie (2004) (Susan Sarandon, Jude Law), Casanova (2005) (Heath Ledger), Edie (2006) (Hayden Christensen, Guy Pearce) ve Görüşme (2007) (Steve Buscemi) gibi filmlerde rol alan Sienna, büyük bir dostluk kurduğu İngiliz oyuncu Keira Knightley ile birlikte oynadığı The Edge of Love (2008) filmindeki rolüyle En İyi Yardımcı Kadın Oyuncu dalında İngiliz Bağımsız Film Ödülü'ne aday gösterildi. Aynı yıl BAFTA Orange Yükselen Yıldız ödülüne de aday gösterildi ve 2006 yılında Görüşme (2007) filmindeki Katya rolüyle Independent Spirit Ödülü'ne aday gösterildi.Sienna ayrıca, Helen McCrory ve Dominic West ile birlikte oynadığı "As You Like It" adlı Young Vic prodüksiyonundaki Celia rolü ve Jonny Lee Miller ile birlikte oynadığı "After Miss Julie" adlı Patrick Marber'in Broadway prodüksiyonu da dahil olmak üzere kayda değer bir tiyatro kariyeri oluşturmuştur. Sienna'nın en son sahne performansı, Londra'daki Theatre Royal Haymarket'ta Sir Trevor Nunn'ın yönettiği Terence Rattigan'ın eleştirmenlerce beğenilen "Flare Path" oyunuydu.