All'età di 11 anni, esordisce come modella posando sulle copertine di alcune riviste, fotografata da Richard Avedon. A 13 anni ha la sua prima esperienza nel cinema: compare infatti nel film Congiunzione di due lune di Zalman King, nei titoli di coda viene semplicemente citata come Milla, così come nel suo secondo film L'ultimo treno per Kathmandu. Successivamente recita in Ritorno alla laguna blu, Poliziotto in blue jeans e Charlot. Nel 1993, a 18 anni, sposa l'attore Shawn Andrews, conosciuto sul set del film La vita è un sogno; il matrimonio viene annullato dalla madre dopo qualche mese. Nel 1994 Milla decide di cimentarsi anche nella musica, incidendo l'album The Divine Comedy, che riscuote un discreto successo. Nello stesso anno ottiene la cittadinanza statunitense.

Il 1996 è l'anno della svolta per quanto riguarda la sua carriera cinematografica. La Jovovich viene infatti scelta dal regista francese Luc Besson per il ruolo di Leeloo nel film Il quinto elemento, il suo primo successo di una certa rilevanza sul grande schermo. Tra il regista e l'attrice nasce una relazione che sfocerà nel matrimonio tra i due, celebrato nel 1997 e durato poco meno di due anni. Nel 1998 compare nel video della canzone "If You Can't Say No" di Lenny Kravitz. Dopo l'apparizione di Milla nel film di Spike Lee He Got Game (1998), l'ultimo lavoro della coppia Jovovich-Besson sarà, nel 1999, Giovanna d'Arco, lungometraggio dedicato alla famosa eroina francese accolto con pareri contrastanti dalla critica.

Negli anni successivi alterna la passerella al set. Con Mel Gibson recita in The Million Dollar Hotel di Wim Wenders, nel 2000, l'anno successivo è nel cast della commedia di Ben Stiller Zoolander. Dal 2002 veste i panni dell'eroina Alice, protagonista della saga cinematografica, ispirata al videogame Resident Evil. Dopo il primo film del 2002 ed il sequel Resident Evil: Apocalypse del 2004, nel 2007 la Jovovich è presente anche nel terzo capitolo Resident Evil: Extinction. Nel 2006 ha interpretato un altro film di fantascienza, Ultraviolet.

Nel 2009 è stata testimonial della casa di moda Mariella Burani.

Nel 2010 ha recitato nel film Stone e Resident Evil: Afterlife. Nel 2011 ha interpretato Milady De Winter nella trasposizione cinematografica de I tre moschettieri. Nel 2011 partecipa al Calendario Campari.

Nel 2011 è impegnata con le riprese di Resident Evil: Retribution. Il film è poi uscito a ottobre 2012.

Nel 2013 compare come protagonista nel video I Wanna be a Warhol, primo singolo ufficiale tratto dall'album My shame is true della band punk rock statunitense Alkaline Trio.

Torna nel 2017, con Resident Evil: The Final Chapter, ultimo capitolo della saga cinematografica, ispirata al videogame Resident Evil.