מיילס נולדה בלונדון. הוריה הם ג'יין ופיטר מיילס, אביה היה כומר אנגליקני באיזלוורת' (Isleworth). סבתה מצד אימה היא רוסייה[1]. היא גדלה בנוטינג היל ולמדה בבית הספר היסודי "פוקס". כשהייתה בת 11 עברה המשפחה להתגורר באיזלוורת' ושם למדה בבית ספר לבנות "גרין סקול". היא התכוונה ללמוד פילוסופיה בקיימברידג', אך פנתה לקריירת משחק אחרי שצדה את עינו של הבמאי והתסריטאי ג'וליאן פלוז.
מאז 1995 מיילס מופיעה בסרטי קולנוע וטלוויזיה בהפקות בריטיות ואמריקאיות. ב-2001 היה לה תפקיד קטן כאשתו של ג'וני דפ בסרט "ממעמקי הגיהנום". היא הופיעה בתפקיד משנה בסרט "מלחמת האופל" ובסרט ההמשך "מלחמת האופל 2". ב-2003 שיחקה כתלמידה במותחן "Out of Bounds" וכליידי פנלופי בסרט "כנפי הרעם". היא כיכבה יחד עם ג'יימס פרנקו בדרמה הרומנטית "טריסטן ואיזולדה".
ב-2006 הופיעה מיילס בתפקיד אורח בפרק "הילדה שבאח" בסדרת המדע בדיוני "דוקטור הו", וגילמה את דמותה של מאדאם דה פומפדור. עוד ב-2006 השתתפה בקומדיה "בית ספר לאמנות" ובעיבוד טלוויזיוני של ה-BBC לרומן "דרקולה". ב-2008 שיחקה בתפקיד פריה בסרט המדע בדיוני "נחיתה רכה" עם ג'יימס קאביזל.
היא הופיעה בסדרת הדרמה "Moonlight" של CBS. על תפקידה בסרט "סיפורו של האלאם פו" זכתה בפרסים של הקולנוע הבריטי העצמאי ובפרס באפט"ה הסקוטי.
ב-2010 הצטרפה מיילס לצוות השחקנים בסדרת הריגול "ספוקס" בתפקיד בת' ביילי, יחד אתה בעונה התשיעית של הסדרה הצטרף גם השחקן מקס בראון.
למיילס הייתה מערכת יחסים עם השחקן צ'ארלס דאנס המבוגר ממנה ב-34 שנים. השניים נפגשו בצילומי הסרט "ניקולס ניקלבי". בין השנים 2005 ו-2007 יצאה עם השחקן דייוויד טננט איתו הופיעה בפרק בסדרה "מלחמתו של פויל" ובפרק בדוקטור הו כאשר טננט שיחק בתפקיד הדוקטור. בספטמבר 2010 הודיעה מיילס על ארוסיה לברן תומאס פנטסון, יזם מטקסס.