Sienna Miller comenzó su carrera en películas británicas, con un papel secundario en la película de suspenso y crimen No todo es lo que parece (2004). Protagonizó Alfie: el seductor irresistible (2004), donde actúo junto a su entonces esposo, Jude Law, y del que más tarde se separaría por una infidelidad de parte de él. En 2006, interpretó el papel principal de Edie Sedgwick en Fábrica de sueños. Interpretó el papel secundario de Victoria en la cinta de fantasía Stardust: El misterio de la estrella (2007), por el cual, en 2008, fue nominada para un premio BAFTA Rising Star. Obtuvo mayor atención a fines de la década de 2000 por su papel en G.I. Joe – El origen de Cobra (2009), y fue aclamada por la crítica por su papel de Tippi Hedren en la película para televisión The Girl (2012), por la que fue nominada para un Premio de Televisión BAFTA y a un Premio del Globo de Oro a la Mejor Actriz. En 2014, participó en dos dramas biográficos, Foxcatcher, interpretando a Nancy Schultz, y Francotirador, interpretando a Taya Kyle. Miller participa en la cinta debut de Brian Kirk 21 bridges (2019), protagonizada por Chadwick Boseman y producida por los hermanos Russo.