Nathan Miller débute au cinéma en tant qu'acteur. Il fait sa première apparition en 1970 dans
L'Enfant Sauvage de François Truffaut, dans lequel il joue entouré de ses parents Claude et Annie.
En 1976 il est l'un des enfants de la colonie de vacances encadrée par Patrick Dewaere et Patrick Bouchitey dans
La Meilleure Façon De Marcher de Claude Miller. Puis il retrouve Truffaut en 1978 pour La Chambre verte.
En 1985, il devient assistant réalisateur sur
L'Effrontee, ce film marque le début d'une longue collaboration entre son père et lui puisqu'ils se retrouveront sur une dizaine de films.
Nathan Miller occupe alternativement les postes d'assistant réalisateur, sur
Vent De Panique de Luc Béraud ou
Le Sourire de Claude Miller, et de chef opérateur pour
Betty Fisher Et Autres Histoires et
La Petite Lili.
En 2000, il se lance dans la réalisation avec le court-métrage
La Tartine dans lequel il dirige Jean-Roger Milo et Yves Verhoeven.
En 2009,
Nathan Miller retrouve son père avec lequel il écrit et réalise
Je Suis Heureux Que Ma Mère Soit Vivante, un drame sur un jeune homme tiraillé entre sa famille adoptive et sa mère biologique qui l'a abandonné lorsqu'il avait 4 ans.
