Окончил Принстонский университет. Ученик известного тополога Р.Фокса. Работал в Институте перспективных исследований в Принстоне и в Университете Стоуни-Брук.
Основные работы Милнора по дифференциальной топологии. Одним из главных результатов Милнора является доказательство существования 7-мерных сфер с нестандартной гладкой структурой. Позже, совместно с Мишелем Кервером, он показал, что 7-мерная сфера имеет 15 гладких структур (28, если учитывать ориентацию).
Важны его результаты в области К-теории и динамических систем. Также Милнор является выдающимся педагогом — автором многих учебников.
Лауреат Филдсовской премии (1962) и премии Вольфа (1989). Награждён Национальной научной медалью США (1966). Его жена, Дьюса Макдафф, тоже известный американский математик.