Milla Jovovich naît en Ukraine mais passe sa jeunesse entre Londres (lieu de travail de son père) et la Russie (où habite sa mère) avant que sa famille ne s'installe en Californie. Elle commence à prendre des cours de comédie dès 9 ans, et débute une carrière de mannequin à l'âge de 11 ans. En 1987, Richard Avedon en fait l'une des "femmes les plus inoubliables du monde" dans une campagne publicitaire pour la marque de cosmétiques Revlon. Elle a 13 ans lorsqu'elle interprète Samantha, la fillette du drame A fleur de peau, en 1988, son premier film.

Le public la découvre véritablement dans Retour au Lagon Bleu en 1991, suite/remake du Lagon Bleu, dans lequel elle reprend le rôle tenu par Brooke Shields, incarnant Lilli, une jeune femme découvrant l'amour et la vie sur une île déserte. Elle devient par la suite Mildred Harris dans le Chaplin de Richard Attenborough (1992), Michelle Burroughs, l'une des adolescentes de la comédie estampillée 70's Génération Rebelle (1993), et surtout Leeloo, la jolie extra-terrestre du Cinquième élément (1997) de Luc Besson. Devenu son époux, le réalisateur lui confie le rôle-titre de Jeanne d'Arc en 1999.

L'actrice continue à interpréter des rôles mystérieux, tout en côtoyant de grands noms du cinéma. Chez Spike Lee, elle est une prostituée martyrisée (He Got Game), et pour Wim Wenders, elle devient Eloïse, ange déchu du Down Town new-yorkais (The Million Dollar Hotel). En 2001, elle s'essaie à la comédie dans le Zoolander de Ben Stiller, avant d'aller se frotter l'année suivante aux morts vivants de Resident Evil et de ses deux suites, Apocalypse (2004) puis Extinction (2007), tous trois adaptés du jeu vidéo à succès. Habituée aux univers inquiétants et futuristes, on la retrouve dans Ultraviolet (2006) où elle est chargée de protéger un petit garçon d'une guerre qui sévit entre humains et vampires.

Deux ans plus tard, Milla Jovovich change de registre en s'affichant aux côtés de Timothy Olyphant et de Steve Zahn dans Escapade fatale, qui raconte l'histoire d'un couple dont la lune de miel à Hawaï tourne au cauchemar. En 2011, elle est la femme d'Edward Norton et séduit Robert De Niro dans le thriller Stone, avant d'être dirigée par son second mari, Paul W.S. Anderson, dans son adaptation des Trois Mousquetaires. Elle le retrouve pour Resident Evil : Afterlife 3D (2010), Resident Evil: Retribution (2012), Resident Evil : Chapitre final (2017) et Monster Hunter (2021), lequel est également adapté d'un célèbre jeu vidéo d'action à succès. On la voit aussi en méchante dans le Hellboy de 2019.