Цви Мильштейн родился в 1934 году в Кишинёве. После присоединения Бессарабии к СССР в 1940 году его отец был арестован и погиб в заключении. В 1941—1945 годах — с матерью и братом в эвакуации в Тбилиси (в 1943—1944 годах обучался рисованию во Дворце пионеров), в 1945 году как бывшие румынские подданные выехали в Румынию (брал уроки живописи у Штефанеску в Бухаресте), оттуда в 1947 году на Кипр (брал уроки ваяния у Зеева Бен-Цви).
С 1948 года — в Израиле (учился у Райтлера, Авни, Ардона и Мокади), где в 1954 году состоялась первая персональная выставка (Тель-Авив). С 1955 года Цви Мильштейн живёт во Франции (Париж).
Работает в стиле экспрессионизма. Цикл графических работ по мотивам «Мастера и Маргариты» М. А. Булгакова.
В 1997 году работы Мильштейна были отобраны для празднования двухсотлетия со дня рождения Г. Х. Андерсена в Дании. Выставки Цви Мильштейна прошли с 26 мая по 26 июня 2000 года в Музее русского искусства (живопись) и во Французском культурном центре (графика) в Киеве.