Среднее образование получил в пансионе Эннеса (1859—1865). После окончания пансиона в 1865 году В.Ф. Миллер поступил на историко-филологический факультет Московского университета.
В 1870 году В.Ф. Миллер был оставлен в Университете для подготовки к профессорскому званию на кафедре сравнительного языкознания и санскрита; преподавал в 4-й московской гимназии. Миллер Всеволод Фёдорович]. В 1874 году он был направлен в Германию для более углублённого изучения санскрита и древней истории Востока. Дополнительно был в Праге, где изучал чешский язык. В 1876 году вернулся в Москву; с 5 марта 1877 года утвержден в звании доцента и осенью начал преподавательскую деятельность: читал курсы по истории Востока, истории русской словесности, преподавал санскрит.
С 1877 года преподавал на высших женских курсах Герье историю русского языка и древнерусскую литературу. В этом же году издал книгу «Взгляд на Слово о Полку Игореве».
Заинтересовавшись историей и культурой народов Кавказа, в частности осетин, В.Ф. Миллер совершил пять поездок в Осетию(1879, 1880, 1881, 1883, 1886), результатом которых явилось издание 2-х томов «Осетинских этюдов» (1881-82), которые составили его диссертацию на степень доктора. (3-я часть «Осетинских этюдов», удостоенная Большой золотой медали Императорского Русского Географического общества вышла в 1887 году).
В 1882 году В. Ф. Миллер был утвержден в звании экстраординарного профессора, а в 1884 году - ординарного профессора Московского Университета. С 1897 по 1911 годы он читал лекции и возглавлял Лазаревский институт восточных языков.
С 5 декабря 1898 года - член-корреспондент Императорской Академии Наук по Отделению русского языка и словесности. После избрания 5 февраля 1911 года ординарным академиком В.Ф. Миллер переехал жить в Петербург. Здесь помимо участия в трудах Академии был преподавателем истории литературы в Педагогическом женском институте.
В. Ф. Миллер совершил пять поездок в Осетию, в ходе которых изучал язык, быт и верования осетин, собирал фольклор. Результатом этих поездок стала серия работ «Осетинские этюды».
Первая часть, «Осетинские тексты» (Москва, 1881), содержит фольклорные тексты на осетинском языке с русскими переводами и комментариями. В частности, опубликовано несколько нартских сказаний («Как родился Батраз», «Как убили Хамыца, Батразова отца», «Сослан и Урызмаг» и др.).
Часть вторая, «Исследования» (Москва, 1882) включает фонетику и подробную грамматику осетинского языка, а также отдельную главу о религиозных верованиях осетин.
Часть третья, «Исследования» (Москва, 1887), посвященная осетиноведу Максиму Ковалевскому, содержит результаты историко-этнографических изысканий. В этом томе есть, в частности, описание населенной осетинами территории, доказательство северного (степного) происхождения осетин, экскурсы о скифах, сарматах и аланах. К книге приложены также образцы «южно-осетинского наречия», подборка дигорских и иронских пословиц и другие материалы.
Осетинские тексты в книгах серии «Осетинские этюды» публиковались в специальной транскрипции, основанной на кириллице, но отличающейся от употреблявшегося тогда осетинского алфавита в сторону большей точности.