Американський фізик Роберт Ендрюс Міллікен народився в Моррісона (штат Іллінойс). М. був другим сином священика конгрегаціоналістської церкви Сайласа Франкліна Милликена і Мері Джейн (Ендрюс) Міллікен, колишнього декана жіночого відділення коледжу Оливі в Мічигані. У 1875 р сім'я Міллікен переїхала в Макуокета (штат Айова), невелике містечко неподалік від річки Міссісіпі, де Роберт ріс разом з двома братами і трьома молодшими сестрами.
Після закінчення середньої школи в Макуокета М. вступив до коледжу, де вчилася його мати, - Оберлин в Огайо. Там його інтереси були зосереджені на математиці і давньогрецькою мовою. Хоча він прослухав лише двенадцатінедельний курс фізики, про який згодом відгукувався як про марною втрати часу, до М. звернулися з проханням взяти на себе читання курсу фізики в підготовчій школі при коледжі. Заради заробітку він прийняв пропозицію і викладав фізику в протягом двох років після того, як в 1891 р отримав ступінь бакалавра. Готувався він до занять за підручниками, які зумів роздобути. В нагороду факультет Оберлин-коледжу присудив йому в 1893 р магістерський ступінь з фізики і направив конспекти його занять в Колумбійський університет, який призначив М. аспірантську стипендію.
У 1908 р М. припинив роботу над підручниками, щоб приділяти більше часу оригінальним дослідженням. Як і багатьох фізиків того часу, його цікавив нещодавно відкритий електрон, особливо величина його електричного заряду, яка не була ще виміряна. Англійський фізик Г.А. Вілсон спробував це зробити, досліджуючи вплив електричного поля на заряджену хмара пари ефіру. Але його обчислення були засновані на усередненому поведінці мікроскопічних крапельок ефіру, оскільки Вілсона не вдалося придумати метод, який дозволив би провести всі виміри на окремій крапельці. Результати Уїлсона варіювалися в широких межах, і деякі вчені стали підозрювати, що різні електрони мають і різні заряди. А це означало б, що електрон не є неподільною зарядженою часткою. М. вирішив з'ясувати, чи всі електрони мають однаковий заряд, і точно його виміряти. Йому вдалося розробити метод зарядженої крапельки, що став класичним прикладом вишуканого експерименту і одним з досягнень М. за які він був удостоєний Нобелівського премії.
Перш за все М. удосконалив експериментальну установку Вілсона, побудувавши потужну батарею, яка створювала набагато більш сильне електричне поле. Крім того, йому вдалося ізолювати в просторі кілька заряджених крапельок води між металевими пластинами. При включеному полі між пластинами крапля повільно рухалася вгору під дією електричного тяжіння. При вимкненому полі вона опускалася під дією гравітації. Включаючи і вимикаючи поле, М. міг вивчати кожну з підвішених між пластинами крапель протягом 45 секунд, після чого вони випаровувалися.
Ще в період роботи над підручниками М. проводив дослідження фотоефекту - вибивання електронів з поверхні металу падаючим на поверхню світлом. У 1905 р Альберт Ейнштейн спробував пояснити деякі особливості фотоефекту за допомогою гіпотези про те, що світло складається з частинок, які він назвав фотонами. Гіпотеза Ейнштейна була узагальненням більш ранньої, висунутої Максом Планком гіпотези про те, що енергія вагається атома випромінюється порціями, або квантами. Оскільки ідея Ейнштейна суперечила загальноприйнятому уявленню про світло як про хвилю (хвильова природа світла була підтверджена переконливими експериментальними даними), більшість фізиків не повірили в неї.
М. був удостоєний Нобелівської премії з фізики 1923 «за роботи по визначенню елементарного електричного заряду і фотоелектричного ефекту». У своїй Нобелівській лекції М. посилаючись на досвід роботи в обох областях, висловив переконання, що «наука крокує вперед на двох ногах - на теорії та експерименті. Іноді вперед висувається одна нога, іноді інша, але неухильне прогрес досягається лише тоді, коли крокують обидві ».
До числа інших важливих робіт, виконаних М. в Чикаго, відносяться його дослідження різних частин електромагнітного спектра з допомогою іскровий спектрографії і роботи по броунівському русі в газах, які допомогли підтвердити положення молекулярної теорії. Праці М. здобули йому міжнародне визнання, а результати його досліджень стали впроваджуватися в промисловість. У 1913 р він став консультантом компанії «Вестерн електрик» по вакуумним приладів, з 1916 по 1926 р працював експертом у патентному бюро. У 1917 р на запрошення астронома Джорджа Еллері Хейла М. відправився і Вашингтон, де зайняв пости віце-голови і глави наукових досліджень Національної ради з досліджень - спеціальної організації при Національній академії наук, створеної американським урядом під час першої світової війни. Служив М. і в військах зв'язку, де координував діяльність вчених і інженерів, особливо в такій життєво важливій галузі, як зв'язок з підводними човнами.
Після війни М. повернувся до Чиказького університету, але лише на короткий час. Хейл, член опікунської ради Каліфорнійського технологічного інституту (Калтеха) в Пасадені, запросив М. в 1921 р до Каліфорнії, запропонувавши йому очолити нову лабораторію з річним фондом в 90000 доларів. М. був призначений директором нової Бріджесской фізичної лабораторії і головою виконавчого комітету Калтеха, тобто по суті, президентом інституту. Всю свою діяльність в наступні роки М. присвятив тому, щоб перетворити Калтех в один з кращих науково-дослідних та інженерних інститутів світу. Але його найбільшою заслугою стало залучення в Калтех кращої професури і здібних студентів. Навіть після відходу у відставку з поста глави виконавчого комітету в 1946 р М. до самої смерті продовжував свою діяльність видатного адміністратора.
Першим проектом М. в Калтесі було дослідження випромінювання, що падає на Землю з космічного простору (воно було вперше виявлено австрійським фізиком Віктором Ф. Гессом). М. назвав таке випромінювання космічними променями. Цей термін швидко прищепився і в середовищі вчених, і серед широкої публіки. Прагнучи розгадати природу таємничих променів, М. разом зі своїми асистентами піднімав прилади на вершини гір, запускав їх на повітряних кулях і опускав на дно глибоких озер. В ході цих досліджень один з учнів М. Карл Д. Андерсон, відкрив позитрон і мюон.
Дотримуючись в політиці консервативних поглядів, М. був противником Нового курсу президента Франкліна Д. Рузвельта. Він вважав, що найвірнішим засобом, яке може допомогти Сполученим Штатам оговтатися від депресії, є співпраця науки та промисловості. Але, як і багато консерваторів того часу, М. був противником ізоляціонізму і досить діяльно сприяв повороту дослідних програм Калтеха до військових потреб під час другої світової війни. М. був релігійним модерністом і написав кілька книг про взаємовідносини науки і релігії. На дозвіллі він любив грати в теніс і гольф.