Po powstaniu Związku Australijskiego w 1901 roku, Millen przeniósł się do parlamentu federalnego. Został wybrany na jednego z senatorów reprezentujących Nową Południową Walię i utrzymał ten mandat aż do śmierci. W 1907 został liderem Partii Wolnego Handlu w Senacie, a po jej fuzji z Partią Protekcjonistyczną i powstaniu Związkowej Partii Liberalnej (CLP), objął stanowiska lidera wszystkich senatorów nowego ugrupowania. W 1909 wszedł w skład czwartego gabinetu Deakina jako wiceprzewodniczący Federalnej Rady Wykonawczej. W 1910 przeszedł wraz z całą swoją partią do opozycji. W 1913 został ministrem obrony w istniejącym do 1914 gabinecie Josepha Cooka.
W 1917 znalazł się w szeregach Nacjonalistycznej Partii Australii, powstałej w wyniku połączenia CLP i Narodowej Partii Pracy. W lutym tego samego roku po raz trzeci znalazł się w rządzie (był to dokładnie trzeci gabinet Billy’ego Hughesa), ponownie jako wiceprzewodniczący Federalnej Rady Wykonawczej. Jesienią 1917 Millen został szefem nowo utworzonego resortu repatriacji, który zajmował się organizacją powrotu do kraju australijskich żołnierzy walczących na frontach I wojny światowej oraz przywracaniem ich do cywilnego życia w Australii.