Geboren te New Smyrna Beach, Florida. Walter Michael Miller jr. was een Amerikaans auteur, vooral bekend als schrijver van de sciencefictionklassieker A Canticle for Leibowitz. Hij studeerde aan de University of Tennessee en de University of Texas en werkte enige tijd als ingenieur.
Tijdens de Tweede Wereldoorlog diende hij bij de Army Air Forces als radioman en staartschutter en vloog hij meer dan vijftig bombardementsmissies boven Italië. Hij nam deel aan het bombardement op de Benedictijner abdij van Monte Cassino – een ervaring die hem diep traumatiseerde. Volgens collega-schrijver Joe Haldeman leed Miller “dertig jaar aan een posttraumatische stressstoornis voordat die diagnose bestond.” Na de oorlog bekeerde hij zich tot het katholicisme.
Miller begon zijn carrière als sciencefictionschrijver in 1951 met het verhaal Secret of the Death Dome in Amazing Stories en publiceerde in de daaropvolgende tien jaar ongeveer veertig verhalen. In 1955 won hij de Hugo Award voor The Darfsteller, een verhaal over een werkloze acteur die in opstand komt tegen door machines bestuurde theaters. Miller schreef in die periode ook scripts voor de televisieserie Captain Video.
Tussen 1955 en 1957 verschenen drie novellen in The Magazine of Fantasy & Science Fiction die hij later samenvoegde tot zijn enige roman tijdens zijn leven: A Canticle for Leibowitz (1959). Dit post-apocalyptische meesterwerk, dat de heropbouw van beschaving en geloof onderzoekt na een nucleaire ramp, won in 1961 de Hugo Award voor beste roman. Het vervolg, Saint Leibowitz and the Wild Horse Woman, werd na zijn dood voltooid door Terry Bisson en in 1997 gepubliceerd.
Na het succes van A Canticle for Leibowitz trok Miller zich terug uit het publieke leven. Zijn eerdere verhalen verschenen nog in verschillende bundels in de jaren zestig en zeventig. Zijn roman werd in 1981 door WHA Radio en NPR bewerkt tot een radioserie, en in 1992 volgde een BBC-bewerking.
In zijn latere jaren leefde Miller als een kluizenaar en vermeed hij contact met vrijwel iedereen, ook met zijn familie en literair agent Don Congdon. Hij leed aan depressies en pleegde op 9 januari 1996, kort na de dood van zijn vrouw, zelfmoord met een vuurwapen in Daytona Beach, Florida.