Родилась 17 декабря 1975 года в Киеве. Отец — Богдан Йовович, врач из Черногории; мать — Галина Логинова, русская по национальности, советская и американская актриса. В детстве Милла ходила в детский сад в Днепропетровске. В 1980 году[источник не указан 1036 дней] семья переехала в Лондон, потом в Сакраменто, США, а затем в Лос-Анджелес. В начале 1980-х годов её родители работали прислугой в доме режиссёра Брайана де Пальмы. В школе к ней неприязненно относились другие дети из-за того, что её родители были из Советского Союза (что было связано с новым витком холодной войны). Когда Йовович исполнилось 15 лет, её отец был арестован и осуждён на 20 лет за финансовые махинации с медицинскими страховками (провёл пять лет в тюрьме). Воспитанием Миллы и продвижением в шоу-бизнесе на начальном этапе занималась мама, Галина Йовович, которая впоследствии сама вернулась в кино.

В модельном бизнесе с 11 лет, впервые появилась на обложке итальянского журнала «Lei». Позднее известный американский фотограф Ричард Аведон предложил ей фотосессию для журнала «Mademoiselle». Когда редактор журнала узнал возраст модели, он поспешил снять фотографию Йовович. Только после предупреждения со стороны Аведона фотографии были восстановлены. Проблема привлечения несовершеннолетних в шоу-бизнес на несколько месяцев стала предметом разговоров американских ток-шоу. В этот год Милла появилась на обложках 15 журналов.

Милла Йовович участвовала в рекламной кампании Revlon «Самые незабываемые женщины мира». Она заключила контракты с Hugo Boss, Guess, Calvin Klein; гонорары достигали 3 тысяч долларов в день. C 1998 года — рекламное лицо L'Oreal.

В кино впервые снялась в 13 лет в фильме Залмана Кинга «Слияние двух лун» (1988). В 15 лет снялась в главной роли в фильме «Возвращение в голубую лагуну» (1991). В 1992 году в картине «Чаплин» сыграла жену Чарли Чаплина — Милдред Харрис. На съёмках фильма «Под кайфом и в смятении», где она играла эпизодическую роль, Йовович познакомилась с актёром Шоном Эндрюсом. Они поженились в октябре 1992 года, но уже через месяц развелись.

В 1994 году Йовович выпускает свой первый музыкальный альбом «The Divine Comedy» («Божественная комедия»). Йовович отправляется со своей группой «Plastic Has Memory» в гастроли по Европе и США.

Однако в 1996 году она возвращается в кино, участвуя в кастинге на роль в фильме режиссёра Люка Бессона. Со второй попытки она получает роль и в 1997 году снимается в фильме «Пятый элемент». В конце года она выходит замуж за Бессона. В 1998 году Йовович предстала в роли проститутки в картине Спайка Ли «Его игра» с Дензелом Вашингтоном. В 1999 году играла роль Жанны Д`Арк в одноимённом фильме Бессона и в этом же году развелась с ним.

В 2000 году на открытии Берлинского кинофестиваля состоялась премьера нового фильма с участием Йовович и Мела Гибсона — картины Вима Вендерса «Отель „Миллион долларов“» по сценарию солиста группы U2 — Боно. Картина получила приз фестиваля — «Серебряного медведя». В 2001 году Йовович снялась в комедии Бена Стиллера «Образцовый самец».

Йовович совместно с моделью Кармен Хоук является создателем линии одежды «Jovovich-Hawk». В 2004 году была самой высокооплачиваемой моделью, рекламируя косметику L'Oreal. Согласно рейтингу журнала Forbes, её доход составил 10,5 млн долларов (с учётом гонораров за съёмки в фильмах). В 2005 году Йовович посетила Украину для участия в праздновании 80-летия международного детского лагеря «Артек» в Крыму.

Снялась в пяти боевиках «Обитель зла» режиссёра Пола Андерсона. В марте 2006 года вышел триллер «Ультрафиолет». В том же году состоялся ограниченный релиз криминальной драмы «45-й калибр». На официальном сайте Йовович было объявлено об участии в фильме Пола Верхувена «The Winter Queen» по роману Бориса Акунина. 28 февраля 2007 года Верхувен сообщил, что название фильма будет изменено в соответствии с оригиналом на «Азазель» (Азазель — демон пустыни по верованиям древних евреев). Новое название, по его мнению, является более интригующим.

В 2009 году снялась в эротической фотосессии для журнала «Purple Fashion», фотографировал её Марио Сорренти[11].

В 2010 году стала лицом специальной благотворительной сумки от Tommy Hilfiger, выпущенной ограниченным тиражом в помощь ассоциации Breast Health International. Организация занимается проблемами рака груди у женщин.

В 2010 году снялась в фильме «Выкрутасы», в котором сыграла вместе с российскими актёрами Константином Хабенским и Иваном Ургантом. В рамках продвижения фильма участвовала в шоу «Прожекторперисхилтон» (выпуск от 19.02.2011)

В октябре-ноябре 1992 года Милла была замужем за актёром Шоном Эндрюсом.

В 1997—1999 года Милла была замужем за режиссёром Люком Бессоном.

С 22 августа 2009 года Милла замужем в третий раз за режиссёром Полом Андерсоном, с которым она встречалась 7 лет до их свадьбы. У супругов есть две дочери — Эва Габо Андерсон (род.03.11.2007) и Дашиэл Иден Йовович-Андерсон (род.01.04.2015).

На своём официальном сайте Йовович публикует выдержки из дневника, где рассказывает о различных событиях в своей жизни. Она выступает за легализацию марихуаны и появлялась на обложке «High Times». Милла занимается боевыми искусствами и, в частности, бразильским джиу-джитсу.

Милла Йовович — левша. Рост Миллы — 174 см.

В своём твиттере Йовович рассказала, что по рождению она является православной христианкой, но может ходить «в любую церковь, где будут присутствовать любовь и одухотворение».