La prima esperienza di Marisa Miller nel mondo della moda è stata nel 1998, quando ha posato in topless per la rivista Perfect 10, ma la svolta nella sua carriera è stata nel 2001, quando il fotografo Mario Testino l'ha notata nella spiaggia californiana di Manhattan Beach.

Marisa è comparsa sulle copertine di Vogue Italia, Amica, Cosmopolitan UK, Shape, Self, Fitness, Razor e nelle pubblicità di Andrew Marc, Calzedonia, Tommy Hilfiger e Victoria's Secret.

Vanta numerose apparizioni nella Swimsuit Edition di Sports Illustrated (tutti gli anni dal 2002 al 2008).