Після закінчення середньої школи в Макуокета Міллікен 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 Міллікену 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 Міллікен 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. Міллікен 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 Милликена, за які він був удостоєний Нобелівського премії.
Перш за все Міллікен 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, Міллікен міг вивчати кожну з підвішених між пластинами крапель протягом 45 секунд, після чого вони випаровувалися.
Ще в період роботи над підручниками Міллікен 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.
Міллікен був удостоєний Нобелівської премії з фізики 1923 року «за експерименти по визначенню елементарного електричного заряду і фотоелектричного ефекту». У своїй Нобелівській лекції Міллікен, 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 Міллікеном 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 Милликена 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 Міллікен 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 Міллікен і у військах зв'язку, де координував діяльність вчених і інженерів, особливо в такій життєво важливій галузі, як зв'язок з підводними човнами.
Після війни Міллікен повернувся до Чиказького університету, але лише на короткий час. Хейл, член опікунської ради Каліфорнійського технологічного інституту (Калтеха) в Пасадені, запросив Милликена в 1921 р до Каліфорнії, запропонувавши йому очолити нову лабораторію з річним фондом в 90000 доларів. Міллікен був призначений директором нової Бріджесской фізичної лабораторії і головою виконавчого комітету Калтеха, тобто по суті, президентом інституту. Всю свою діяльність в наступні роки Міллікен 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 Міллікен до самої смерті продовжував свою діяльність видатного адміністратора.
Першим проектом Милликена в Калтесі було дослідження випромінювання, що падає на Землю з космічного простору (воно було вперше виявлено австрійським фізиком Віктором Ф. Гессом). Міллікен назвав таке випромінювання космічними променями. Цей термін швидко прищепився і в середовищі вчених, і серед широкої публіки. Прагнучи розгадати природу таємничих променів, Міллікен 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 Милликена, Карл Д. Андерсон, відкрив позитрон і мюон.
Дотримуючись в політиці консервативних поглядів, Міллікен 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, Міллікен був противником ізоляціонізму і досить діяльно сприяв повороту дослідних програм Калтеха до військових потреб під час другої світової війни. Міллікен був релігійним модерністом і написав кілька книг про взаємовідносини науки і релігії. На дозвіллі він любив грати в теніс і гольф.