Muchas de las fotografías tomadas durante este período y atribuidas a Man Ray fueron realmente hechas por Miller y en su círculo de amigos estuvieron, entre otros, Picasso, Eluard, Miró, Ernst o Cocteau.
Lee Miller accede al mundo de la fotografía en Nueva York como modelo de grandes fotógrafos de entonces como Edward Steichen, Hoyningen-Huene y Arnold Genthe. En 1929 viaja a París y trabaja con el conocido artista y fotógrafo surrealista Man Ray, quien la acoge en su propio estudio. Ella llegaría a ser conocida como retratista y fotógrafa de moda, pero su obra más representativa son sus imágenes surrealistas.
Vuelve a Nueva York en 1932, donde establece su estudio durante dos años con gran éxito. Lo cierra cuando se casa con el empresario egipcio Eloui Bey con el que se va a vivir a El Cairo. Queda fascinada por las travesías y viajes al desierto donde fotografiará sus pueblos y ruinas. Durante una visita a París en 1937 conoce a Roland Penrose, artista surrealista que llega a ser su segundo marido y con el que viaja a Grecia y Rumanía. En 1939 deja Egipto por Londres con Penrose, justo antes del comienzo de la Segunda Guerra Mundial. Desafiando las solicitudes de la Embajada de Estados Unidos para que volviese a su país, acepta un trabajo para Vogue como fotógrafa freelance.
En 1944 se convierte en corresponsal acreditada para el Ejército estadounidense y forma equipo con el fotógrafo de Time y Life David E. Scherman. Sigue a las tropas en el Día D. Ella es, probablemente, la única mujer fotoperiodista que cubra la liberación, siendo testigo del sitio de Saint-Malo, la liberación de París, las batallas de Luxemburgo y Alsacia, el encuentro ruso-americano en Torgau o el horror tras la liberación de los campos de concentración Buchenwald y Dachau. Se aloja en las casas de Hitler y de Eva Braun en Múnich y fotografía Berchtesgaden en llamas en vísperas de la rendición. Adentrándose en la Europa del Este cubre las horrendas escenas de los niños muriendo en Viena, la placentera vida de posguerra en Hungría y, finalmente, la ejecución de su primer ministro Lazlo Bardossy.
Tras la guerra continúa trabajando para Vogue durante dos años, fotografiando moda y a famosos. En 1947 se casa con Roland Penrose al que ayuda en los biografías de Picasso, Miró, Man Ray y Tàpies. Algunos de sus retratos de artistas famosos, como el de Picasso, son de los más impactantes jamás realizados en fotografía, pero es, sobre todo, por las ingeniosas imágenes surrealistas por las cuales el trabajo de Lee Miller es más reconocido y recordado. Fallece en 1977 en Inglaterra.