Biografia Figlia degli attori Mark Miller e Beatrice Hudson Ammidown, i suoi genitori divorziarono quando aveva 11 anni; ha due sorelle, Marisa, anch'essa attrice, e Savannah, commerciante. Nota al grande pubblico soprattutto per il ruolo di coprotagonista nel film Carlito's Way, accanto a Al Pacino, interpretazione per la quale ricevette una nomination ai premi Golden Globe, è apparsa in diverse grandi produzioni di Hollywood nel corso degli anni novanta, inclusi Big Top Pee-wee (1988), Il boss e la matricola (1990), Risvegli (1990), Un poliziotto alle elementari (1990), I soldi degli altri (1991), L'anno della cometa (1992) e Charlot (1992). È ritornata a Broadway nella produzione del 1995 di On the Waterfront. Ha recitato inoltre nel ruolo di protagonista in Relic (1997), e in ruoli di supporto in Nella morsa del ragno - Along Came a Spider (2001) e The Artist (2011).
Vita privata È stata sposata per un mese (dicembre 1994-gennaio 1995) con Will Arnett, mentre nel 2000 ha sposato l'attore James Patrick Huggins, dal quale ha avuto due figlie: Eloisa May (2000) e Maria Adela (2009). Nel marzo del 2012 i due si separano, ma tre mesi dopo si riconciliano.
Filmografia Cinema Tutto quella notte (Adventures in Babysitting), regia di Chris Columbus (1987) Big Top Pee-wee - La mia vita picchiatella (Big Top Pee-Wee), regia di Randal Kleiser (1988) Gli irriducibili (Miles from Home), regia di Gary Sinise (1988) Dead Bang - A colpo sicuro (Dead Bang), regia di John Frankenheimer (1989) Pronti a tutto (Downtown), regia di Richard Benjamin (1990) Il boss e la matricola (The Freshman), regia di Andrew Bergman (1990) Risvegli (Awakenings), regia di Penny Marshall (1990) Un poliziotto alle elementari (Kindergarten Cop), regia di Ivan Reitman (1990) I soldi degli altri (Other People's Money), regia di Norman Jewison (1991) L'anno della cometa (The Year of the Comet), regia di Peter Yates (1992) La pistola nella borsetta (The Gun in Betty Lou's Handbag), regia di Allan Moyle (1992) Charlot (Chaplin), regia di Richard Attenborough (1992) Carlito's Way, regia di Brian De Palma (1993) L'Uomo Ombra (The Shadow), regia di Russell Mulcahy (1994) Relic - L'evoluzione del terrore (The Relic), regia di Peter Hyams (1997) Little City, regia di Robert Benabib (1997) Break Up - Punto di rottura (Break Up), regia di Paul Marcus (1998) Famous - Lisa Picard Is Famous (Famous), regia di Griffin Dunne (2000) – se stessa Vite nascoste (Forever Lulu), regia di John Kaye (2000) Nella morsa del ragno - Along Came a Spider (Along Came a Spider), regia di Lee Tamahori (2001) Rivelazione finale (Full Disclosure), regia di John Bradshaw (2001) The Messengers, regia di Oxide Pang Chun e Danny Pang (2007) The Deal - Il patto (The Deal), regia di Bryan Goeres (2007) Saving Grace B. Jones, regia di Connie Stevens (2009) Il primo amore non si scorda mai (Flipped), regia di Rob Reiner (2010) The Artist, regia di Michel Hazanavicius (2011) Saving Lincoln, regia di Salvador Litvak (2013) The Birth of a Nation - Il risveglio di un popolo (The Birth of a Nation), regia di Nate Parker (2016) The Bronx Bull, regia di Martin Guigui (2016) Adverse, regia di Brian A. Metcalf (2020) Reagan - Un presidente sotto i riflettori (Reagan), regia di Sean McNamara (2024)
Televisione Miami Vice – serie TV, 1 episodio (1987) Witch Hunt - Caccia alle streghe (Witch Hunt), regia di Paul Schrader – film TV (1994) Rhapsody in Bloom, regia di Craig M. Saavedra – film TV (1998) Rocky Marciano, regia di Charles Winkler – film TV (1999) Battiti mortali (Dead In a Dead Heartbeat), regia Di Paul Antier – film TV (2002) Personal Effects, regia di Michael M. Scott – film TV (2005) Desperate Housewives – serie TV, 1 episodio (2005) CSI: NY – serie TV, episodio 1x23 (2005) Vanished – serie TV, 9 episodi (2006) Men of a Certain Age – serie TV, 9 episodi (2009-2011) Mistresses - Amanti (Mistresses) – serie TV, 10 episodi (2013) American Crime – serie TV, 11 episodi (2015) Criminal Minds – serie TV, episodio 14x10 (2018) Dahmer - Mostro: la storia di Jeffrey Dahmer (Monster: The Jeffrey Dahmer Story) – miniserie TV, 3 episodi (2022)
Doppiatrici italiane Nelle versioni in italiano dei suoi lavori, Penelope Ann Miller è stata doppiata da: Alessandra Korompay in CSI: NY, American Crime, Blonde Ambition - Una bionda in carriera, Vanished Eleonora De Angelis in Desperate Housewives - I segreti di Wisteria Lane, Risvegli, Criminal Minds Isabella Pasanisi in Gli irriducibili, Relic - L'evoluzione del terrore Roberta Paladini ne I soldi degli altri, Mistresses - Amanti Laura Boccanera in L'anno della cometa, Pronti a tutto Loredana Nicosia in Il boss e la matricola Loretta Stroppa in Un poliziotto alle elementari Gabriella Borri in Carlito's Way Antonella Rendina in L'uomo ombra Claudia Razzi in Vite nascoste Stefanella Marrama in Nella morsa del ragno Cristina Boraschi in The Messengers Marina Thovez in National Lampoon's Holiday Party Daniela Abbruzzese in Cody il mio amico robot Antonella Baldini in Mostro - La storia di Jeffrey Dahmer Jolanda Granato in Reagan - Un presidente sotto i riflettori
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