Née le 28 décembre 1981 à New York, Sienna Miller est la fille de Joséphine, originaire d'Afrique du Sud, ancien mannequin et professeur d'Art dramatique à la Lee Strasberg Drama School of London  et de Edwin Miller, un banquier américain devenu revendeur d'art chinois. Suite au divorce de ses parents, elle s'installe, à l'âge d'un an, avec sa famille à Londres. Elle a une sœur, Savannah, et deux demi-frères, Charles et Stephen. Après ses études à la Heathfield St Mary's School d'Ascot, elle intègre le célèbre Lee Strasberg Institute de New York, tout en menant en parallèle une carrière de mannequin, en devenant l'une des égéries de la marque Prada. Elle signe d'abord un contrat avec l'agence de mannequinat Select Model Management, à Londres. Elle prête ensuite son image à Coca-Cola ou au magazine italien Vogue.