1962年，从法国电影高等学院毕业。之后，跟随法国新浪潮等多位电影导演参与制片，包括
罗伯特·布列松、
让-吕克·戈达尔、
弗朗索瓦·特吕弗等人。
1967年，执导个人首部短片《朱丽叶在巴黎》，从而开启演艺生涯。1976年，编导了个人首部电影长片《
走路的最好方式》，该片提名第2届法国电影凯撒奖最佳影片奖，他凭借该片提名第2届法国电影凯撒奖最佳导演奖。
1977年，担任爱情电影《
告诉他我爱他》的导演及编剧，他凭借该片提名第3届法国电影凯撒奖最佳导演奖。1981年，其编导的犯罪电影《
审判》上映，该片提名第7届法国电影凯撒奖最佳影片奖，他凭借该片获得第7届法国电影凯撒奖最佳编剧奖。1983年，执导由
米歇尔·塞罗尔、伊莎贝尔·阿佳妮搭档主演的悬疑惊悚电影《
真爱大逃亡》。
1985年，由其编导的喜剧电影《
不安分的姑娘》上映，该片由夏洛特·甘斯布、克洛蒂尔德·博东、朱莉·格伦等联袂主演，提名第11届法国电影凯撒奖最佳影片奖，他凭借该片提名第11届法国电影凯撒奖最佳导演奖。
1988年，执导由
夏洛特·甘斯布、
迪迪埃·贝扎斯合作主演的爱情犯罪电影《
小偷》，他凭借该片提名第14届法国电影凯撒奖最佳导演奖。1992年，执导并创作战争电影《
伴奏女郎》，该片讲述了在二战时期被占领的法国巴黎，家境贫寒的年轻钢琴师索菲的遭遇。
1994年，执导由
让-皮埃尔·马里埃尔主演的喜剧电影《
最后脱衣舞娘》，该片讲述了一位老医生皮埃尔·弗朗索瓦被一个性感的年轻女子吸引的故事。1995年，与
西奥·安哲罗普洛斯、
文森特·阿兰达等共同执导纪录片《
卢米埃尔与四十大导》。
1998年，其编导的奇幻电影《
雪地里的魅影》，入围第51届戛纳国际电影节主竞赛单元，获得第51届戛纳国际电影节主竞赛单元-评审团奖。2000年，执导由
安妮·波诺什、
玛蒂尔德·瑟妮合作主演的剧情电影《女人们的奇迹》，该片获得第50届柏林国际电影节费比西奖-竞赛单元。
2001年，由其执导的犯罪喜剧电影《贝蒂·费希尔》上映，该片由
桑德利那·吉贝尔兰、
妮可·加西亚、
玛蒂尔德·塞尼耶联合主演。2003年，执导由妮可·加西亚、
贝纳·纪欧多共同主演的剧情电影《
小莉莉》，该片入围第56届戛纳电影节主竞赛单元，他凭借该片提名第29届法国电影凯撒奖最佳导演奖。
2007年，其编导的战争电影《
秘密》上映，该片讲述了一个家庭里的沉重的秘密和以悲剧结束的一段爱情故事，提名第33届法国电影凯撒奖最佳影片奖，获得第31届蒙特利尔国际电影节美洲大奖，他凭借该片提名第33届法国电影凯撒奖最佳导演奖。2009年，由其执导的剧情电影《
我很高兴母亲还健在》上映，该片提名第33届蒙特利尔国际电影节主竞赛单元-美洲大奖。
2011年，编导由
玛丽娜·汉斯、
詹姆斯·提瑞、
玛雅·珊萨联合主演的剧情电影《
看他们如何跳舞》，该片获得第6届罗马国际电影节评委会大奖。2012年，编导个人最后一部电影《
寂寞的心灵》，该片根据弗朗索瓦·莫利亚克取材自真实事件创作的同名小说改编；4月4日，克劳德·米勒在法国巴黎去世，享年70岁。
克劳德·米勒是那种把什么都看得一清二楚的导演。他曾跟随法国新浪潮导演们拍片，因此其电影散发着浓浓的法兰西风情，在清新质朴的画面之下，展现了那个新浪潮时代在华丽平静下的阴霾（《钱江晚报》、凤凰娱乐综合评）。
克劳德·米勒的才华是法国影坛公认的。在电影《小莉莉》中，克洛德·米勒依然如过去一样精雕细刻，只不过把时代背景变成了今天，但这一改编带有浓重的个人色彩。而且， 他的电影就像法国很多类似的温情片的缩影。他通过影片的一个场景，深挖了人与人之间有关爱情和艺术的种种痛苦和折磨。在电影《小女贼》中，克劳德·米勒穿插了大量的老电影片段，足见他对电影艺术的崇敬（《文化汇》、《北京娱乐信报》综合评）。