Донна Миллз родилась в Чикаго и окончила Университет Иллинойса. С 1966 года играла в телевизионных сериалах: сначала исполнила небольшую роль в сериале CBS «The Secret Storm», потом получила роль бывшей монахини Лоры Доннели в сериале «Love is a Many Splendored Thing». В 1971-ом году Донна Миллз вместе с Клинтом Иствудом снялась в триллере «Сыграйте мне туманно» («Play Misty For Me»). Роль Тоби в этом фильме до сих пор остаётся самой значительным появлением актрисы в кино.
В 1980—1989 годах она исполнила свою самую крупную роль на телевидении, сыграв роль Эбби Каннингем в телесериале «Тихая пристань» (Knots Landing), спин-оффе сериала «Даллас». Донна Миллз также сыграла роль второго плана в популярном сериале «Мелроуз Плейс». В последние годы она продолжает регулярно появляться на телевидении, играя роли в таких сериалах, как «Части тела» и другие.
Актриса также появилась на Бродвее в превосходной комедии Вуди Алена — «Don’t Drink the Water».
Донна Миллз никогда не была замужем. У неё есть приёмная дочь Хлоя (родилась в 1995).