Penelope Ann Miller asistió a Menlo College en Atherton, California, de 1981 a 1983, y luego se mudó a Nueva York para estudiar teatro en HB Studio. Su gran despegue en el teatro de Broadway llegó en 1985 cuando fue elegida para el papel principal en la obra de Neil Simon Biloxi Blues. Más tarde, recibió una nominación al premio Tony por la reposición de Our Town en 1989. Desde mediados de los ochenta, Miller aceptó varios otros papeles pequeños en trabajos de cine y televisión. Protagonizó varias películas importantes de Hollywood, particularmente a fines de la década de 1980 y principios de la de 1990, incluidas Un novato en el mafia (1990) y Un detective en el kinder (1990). La actriz recibió una nominación al Globo de Oro por su actuación en Carlito's way: atrapado por su pasado (1993). Actualmente podemos verla en el papel de Joyce Dahmer, la madre de Jeff Dahmer, en la serie de Netflix Dahmer (2022).