Актриса известна своими романами с популярными актерами и музыкантами. Так на съемках картины «Красавчик Алфи или чего хотят мужчины» Сиенна Миллер познакомилась со знаменитым британским актером Джудом Лоу. Звездная пара приковывала внимание всех таблоидов, то, ругаясь, то объявляя о помолвке. Но свадьба так и не состоялась, потому что Джуд Лоу изменил молодой актрисе с няней своих детей. Пара рассталась. Затем Сиенне Миллер приписывают роман с канадским актером Хейденом Крестенсеном, с которым она снялась в откровенной постельной сцене в фильме об Энди Уорхоле. Сиенна так прокомментировала слухи:

«Если зритель смотрит постельную сцену и думает, что герои занимаются любовью по-настоящему, значит, актеры качественно выполнили свою работу. Что касается моих личных впечатлений, то они достаточно негативные. Я ругалась с продюсерами по поводу монтажа этой сцены, и мне кажется, что они там переборщили».

После этого актриса встречалась с Ризом Айфэнсом, затем с Бальтазаром Гетти, но в 2010 году пара Лоу/Миллер вновь воссоединилась, а в 2011 опять расстались.

C 2011 года Сиенна встречается с актёром Томом Старриджем. В начале июля 2012 года у пары родилась дочь Марлоу.