Penelope Ann Miller, talvolta accreditata semplicemente come Penelope Miller, nata Penelope Andrea Miller (Los Angeles, 13 gennaio 1964), è un'attrice statunitense.
Nota al grande pubblico soprattutto per il ruolo di coprotagonista nel film Carlito's Way, accanto ad Al Pacino, ruolo per il 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), Charlot (1992). È ritornata a Broadway nella produzione del 1995 di On the Waterfront. Ha recitato anche in ruoli di supporto in Relic (1997), Nella morsa del ragno (2001) e The Artist (2011).
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). È stata sposata per un mese (dicembre 1994-gennaio 1995) con Will Arnett e 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 separarono ma si riconciliarono tre mesi dopo.