Penelope Ann Miller est une actrice américaine née le 13 janvier 1964.

Penelope Ann Miller connut ses heures de gloire au début des années 1990. En 1990, elle donne la réplique à Marlon Brando dans Premiers pas dans la mafia. La même année, elle joue dans Un flic à la maternelle le rôle de la mère de l'enfant qu'Arnold Schwarzenegger doit protéger de son père, criminel en cavale. Toujours la même année, elle joue la petite amie de Robert De Niro, un handicapé catatonique dans L'Éveil.

En 1993, elle assume le rôle d'une danseuse qui est la petite amie de Carlito Brigante (joué par Al Pacino) dans L'Impasse. Le film connaît un succès modeste à la fois de par les critiques et son exploitation commerciale, mais il atteint plus tard le statut de film culte.
Puis la carrière de Penelope Ann Miller s'essouffle quelque peu. En 1997, elle apparaît dans un film à gros budget Relic.

En 2011, elle joue Doris l'épouse de la star du film muet, George Valentin (alias Jean Dujardin), dans le film français The Artist de Michel Hazanavicius.