Karierę rozpoczął od działalności w Związku Młodzieży Socjalistycznej. Po powrocie ze służby wojskowej w 1969 roku wstąpił do PZPR. W latach 1973-1974 pełnił funkcję sekretarza Komitetu Zakładowego PZPR. Od 1977 roku pracował w Komitecie Centralnym kierując Zespołem, a następnie Wydziałem ds. Młodzieży, Kultury Fizycznej i Turystyki.

W lipcu 1986 roku został wybrany I sekretarzem Komitetu Wojewódzkiego PZPR w Skierniewicach. W grudniu 1988 roku awansował na stanowisko sekretarza Komitetu Centralnego PZPR. W 1989 roku został członkiem Biura Politycznego Komitetu Centralnego PZPR.

Po rozwiązaniu PZPR był współzałożycielem Socjaldemokracji Rzeczpospolitej Polskiej. W trzech kolejnych wyborach do Sejmu startował z Łodzi otrzymując za każdym razem coraz więcej głosów, (od 50 tys. w 1991 roku do 146 tys. w 2001 roku).

W latach 1993-1996 Miller był ministrem pracy i polityki społecznej w rządzie Waldemara Pawlaka i Józefa Oleksego, w 1996 roku ministrem - szefem Urzędu Rady Ministrów, a w 1997 roku ministrem spraw wewnętrznych i administracji w rządzie Włodzimierza Cimoszewicza.

W 1999 roku doprowadził do utworzenia Sojuszu Lewicy Demokratycznej, którego został przewodniczącym.

Po przygniatającym zwycięstwie SLD-UP w wyborach parlamentarnych 2001 roku otrzymał z rąk prezydenta Aleksandra Kwaśniewskiego nominację na premiera. 13 grudnia 2002 roku na szczycie w Kopenhadze Miller zakończył negocjacje z Unią Europejską. 16 kwietnia 2003 roku w Atenach wraz z Włodzimierzem Cimoszewiczem i Danutą Huebner podpisał Traktat Akcesyjny wprowadzający Polskę do Unii Europejskiej. W marcu 2003 roku rząd Premiera Millera, wraz z prezydentem Aleksandrem Kwaśniewskim podjął decyzję o przystąpieniu do tzw. koalicji antyterrorystycznej i wysłaniu polskich wojsk do Iraku.

W lutym 2004 roku Leszek Miller zrezygnował z przewodniczenia SLD. Podjął decyzję o ustąpieniu z urzędu premiera 2 maja 2004 w dzień po wejściu Polski do Unii Europejskiej.

W 2005 roku mimo poparcia łódzkiego oddziału SLD, nie został wpisany na listę wyborczą do Sejmu. Po wyborach zajął się publicystyką, pisząc na temat liberalnych koncepcji gospodarczych i bieżącej polityki.

15 września 2007 r. Miller zrezygnował z członkostwa w SLD, protestując w ten sposób przeciw decyzji kierownictwa partii o nierekomendowaniu jego osoby jako kandydata SLD na listach wyborczych centrolewicowej koalicji Lewica i Demokraci (SLD, SdPl, PD, UP). Kilka dni później zapowiedział start w wyborach z listy Samoobrony oraz utworzenie nowej partii Polska Lewica.

Ostatecznie wyborach otrzymał około 4 tys. głosów i nie uzyskał mandatu poselskiego. 5 stycznia 2008 na pierwszym kongresie nowo założonej partii Polska Lewica, został jej przewodniczącym.
Jednak dwa lata później zrezygnował z członkostwa tej partii, by z powrotem wstąpić do SLD.

10 grudnia 2011 roku został ponownie szefem SLD.

Ukończył studia politologiczne w Wyższej Szkole Nauk Społecznych