Происходил из старинного дворянского рода. В зрелые годы так вспоминал о своём воспитании:
В доме моих родителей с детских лет я был воспитан как верующий христианин, в правилах уважения к человеческой личности — безразлично, был ли человек в социальном отношении выше или ниже; чувство справедливости во взаимоотношениях с людьми, явное понимание различия между добром и злом, искренностью и обманом, правдой и ложью, человеколюбием и звериной жестокостью — вот те основы, которые внушались мне с детства.
Жена — Наталья Николаевна, урождённая Шипова, дочь генерала от кавалерии и генерал-адъютанта Николая Николаевича Шипова и Софии Петровны, урождённой Ланской.
Окончил Николаевский кадетский корпус (1884), Николаевское кавалерийское училище (1886) и Николаевскую академию Генерального штаба (1892).
Служил в лейб-гвардии Гусарском полку. В 1893 был назначен начальником строевого отдела штаба Карсской крепости, но уже в марте 1893 переведён в запас. С июля 1896 состоял в распоряжении начальника Главного штаба, с декабря 1897 состоял при Главном штабе. С февраля 1898 — военный агент в Брюсселе и Гааге, с августа 1901 — в Риме. С 1901 — полковник. С декабря 1907 — командир 7-го гусарского Белорусского полка, с августа 1909 — 2-й обер-квартирмейстер Главного управления Генерального штаба. С 1909 — генерал-майор. С мая 1910 — начальник Николаевского кавалерийского училища. С октября 1912 — начальник штаба Московского военного округа.
С июля 1914 года — начальник штаба 5-й Армии, управление которой было создано на базе командования Московским военным округом. С 1915 — генерал-лейтенант. С сентября 1916 фактически командовал 26-м армейским корпусом в составе Особой армии, действовавшей в Румынии. Официально назначен командиром корпуса в январе 1917. После Февральской революции, в апреле 1917 был арестован солдатами за приказ чинам корпуса снять красные банты. При аресте ранен, затем под конвоем отправлен в Петроград. С августа 1917 состоял в распоряжении начальника Генерального штаба, являясь представителем Ставки Верховного главнокомандующего при Итальянской главной квартире.
После прихода к власти большевиков отказался признавать их режим. Занимался в Париже вопросами расформирования и переброски в Россию частей русских бригад во Франции и Македонии. В ноябре 1918 антибольшевистское правительство Северной области пригласило генерала Миллера занять пост генерал-губернатора Северной области. 1 января 1919 прибыл в Архангельск, где был назначен управляющим иностранными делами правительства, а 15 января стал генерал-губернатором Северной области. С мая 1919, одновременно, главнокомандующий войсками Северной области — Северной армии, с июня — главнокомандующим Северным фронтом. По его приказу на месте недостроеной военно-морской базы близ погоста Иоканьга (начало строительства — 1915 г, прервано в 1917) был организован концентрационный лагерь (под руководством английских офицеров-инструкторов, незадолго до того применявших данный метод изоляции пленных и инакомыслящих во время англо-бурской войны).
В сентябре 1919 одновременно принял пост Главного начальника Северного края, возглавив 20-ти тысячную армию.
Опирался на поддержку незначительного британского военного контингента, который принял участие в боевых действиях против частей Красной армии, но в сентябре 1919 был эвакуирован. Одновременно прекратилась поставки боеприпасов и вооружения из Великобритании, что поставило армию Миллера в критическое положение, поскольку на контролируемой ею терриории не было никаких военных заводов и брать оружие было неоткуда. Тем не менее, после ухода англичан Миллер продолжил борьбу против большевиков, но уже 19 февраля 1920 был вынужден эмигрировать. Вместе с генералом Миллером Россию покинули более 800 военнослужащих и гражданских беженцев, размещённых на ледокольном пароходе «Козьма Минин» и яхте «Ярославна». Несмотря на препятствия в виде ледовых полей и преследование красных на ледоколе «Канада» (с артиллерийским обстрелом), белым морякам удалось довести свой отряд до Норвегии, куда они прибыли 26 февраля.
С марта 1920 генерал Миллер жил в эмиграции во Франции. С мая 1920 — главноуполномоченный по военным и морским делам генерала П. Н. Врангеля в Париже. С апреля 1922 — начальник штаба генерала Врангеля, с июня 1923 состоял в распоряжении великого князя Николая Николаевича (с ноября 1923 также заведовал его денежными средствами), с 1925 старший помощник председателя Русско обще-воинского союза (РОВС). После похищения советской разведкой генерала А. П. Кутепова в 1930 Миллер стал председателем РОВС. Являлся также председателем Объединения офицеров 7-го гусарского полка, Общества взаимопомощи бывших воспитанников Николаевского кавалерийского училища, Общества северян.
В своей статье «Почему мы непримиримы» изложил мотивы своего решительного и бескомпромиссного неприятия большевистской власти:
Православная вера, родина, семья — вот те три устоя, на которых русский народ строил свою жизнь, свое государство. И им советская власть, олицетворенная коммунистами, объявила беспощадную войну. В моей душе сейчас живут три чувства — безграничная ненависть к большевикам, правящим Россией, надежда, что мне придется участвовать в свержении их власти и вера в грядущее возрождение России.
22 сентября 1937 похищен и вывезен агентами НКВД из Парижа в Москву. Целью операции было продвижение на пост председателя РОВС агента НКВД генерала Н. В. Скоблина, который принял активное участие в организации похищения, заманив Миллера на встречу с сотрудниками НКВД, действовавшими под видом немецких дипломатов. Помощь в похищении генерала Е. К. Миллера оказал платный агент НКВД, масон Третьяков С. Н.. Отправляясь на встречу и чувствуя опасность, Миллер оставил записку сотрудникам с указанием, к кому он отправился вместе со Скоблиным:
У меня сегодня в 12.30 часов дня свидание с генералом Скоблиным на углу улиц Жасмэн и Раффэ. Он должен отвезти меня на свидание с германским офицером, военным атташе при лимитрофных государствах, Штроманом и с Вернером, прикомандированным к здешнему германскому посольству. Оба хорошо говорят по-русски. Свидание устраивается по инициативе Скоблина. Возможно, это ловушка, а потому на всякий случай оставляю эту записку.
— 22 сентября 1937 г. генерал-лейтенант Миллер.
Таким образом, планы НКВД по продвижению своего агента на пост главы крупнейшей эмигрантской военной организации оказались сорваны, а сам Скоблин был вынужден бежать.
Редактор эмигрантского издания «Часовой» В. В. Орехов так писал о Миллере:
Свою честность, безупречную и жертвенную, он сохранил до последнего дня своей жизни. Ясно, что предатель просил Евгения Карловича дать слово о сохранении «свидания» в секрете, негодяй знал, что слово генерала Миллера свято. И оказался прав. Генерал Миллер своё последнее честное слово сдержал, но какой ценой!.. Но он оказал и последнюю великую услугу нашему общему делу. По воле Божьей, по чудесному наитию он оставил записку «на случай»… Эта записка открыла убийцу, который без этого, вероятно, добил бы Обще-Воинский Союз в ближайшее же время страшнейшей провокацией.
Миллер был доставлен в СССР на теплоходе «Мария Ульянова» и заключён в тюрьму НКВД на Лубянке, где содержался под именем Петра Васильевича Иванова. На допросах не сообщил никакой информации, способной причинить вред деятельности РОВС. 30 марта 1938 генерал обратился к наркому внутренних дел Н. И. Ежову с просьбой разрешить ему инкогнито посетить православный храм, пояснив, что он вряд ли при этом будет узнан: «Я могу перевязать лицо повязкой, да и вообще мой современный облик штатского старика мало напоминает моложавого 47-летнего генерала, каким я уехал из Москвы в 1914 году». Ответа на эту просьбу не последовало, и 16 апреля Миллер обратился к Ежову с новым письмом, в котором просил передать ему Евангелие и «Историю церкви» (или «Жития святых»), а также разрешить пользоваться бумагой и пером. Реакции властей на эти просьбы также не последовало.
Был приговорён Военной коллегией Верховного Суда СССР к высшей мере наказания и расстрелян во внутренней тюрьме НКВД 11 мая 1939 года.