تهمینه میلانی در سال ۱۳۳۹ در شهر تبریز به دنیا آمد. در دوران دبیرستان به تهران نقل مکان کرد و در دبیرستانهای شرف و مرجان به ادامه تحصیل پرداخت. سال ۱۳۵۷ در رشته برق دانشگاه تبریز قبول شد. همسر وی محمد نیک بین و دارای یک فرزند می باشد.
همزمان با پیروزی انقلاب و بسته شدن دانشگاهها به تهران بازگشت و در رشته معماری دانشگاه علم و صنعت مشغول به تحصیل گردید. با بسته شدن دانشگاهها حضور در جلسات شعرخوانی، نمایش فیلم و از فعالیتهایی از این قبیل را برگزید. در یکی از این جلسات بود که با مسعود کیمیایی آشنا شد و توانست نظر موافق او را برای دستیاری وی در کارگاه آزاد فیلم جلب نماید.
بسیار جوان بود که به عنوان اولین تجربه سینمائی به عنوان منشی صحنه فیلم خط قرمز برگزیده شد. با بازشدن دانشگاهها در کنار کار در کارگاه آزاد فیلم به ادامه تحصیل پرداخت. او که به آرامی به کار در سینما آشنا می شد، شروع به نوشتن فیلمنامه ها(اگر فردا بیاید، دوستت دارم مادر، عشق و مرگ و …) و کار در دیگر فیلمها (ای ایران، جهیزیهای برای رباب، دل نمک و …) کرد.
اولین فیلم او بچههای طلاق جایزه بهترین فیلم اول را در جشنواره فجر بُرد و جایزه نقدی آن به او کمک کرد که مجدداً به همراه رضا بانکی و مهدی احمدی فیلم "افسانه آه" را بسازد. پس از شکست تجاری این فیلم، فیلم کمدی "دیگه چه خبر" با بازی ماهایا پطروسیان را ساخت. فیلمی که بسیار پرفروش شد.
در سال ۱۳۷۶ فیلم "دو زن" را ساخت. به خاطر ساخت این فیلم، میلانی جایزه بهترین فیلمنامه جشنواره فیلم فجر را برد و نامزد جایزه بهترین کارگردانی از همین جشنواره شد. میلانی که بارها در مصاحبههایش تاکید کرده که یک فمینیست ایرانی است، پس از موفقیت فیلم «دو زن» فیلمهای "نیمه پنهان" و "واکنش پنجم" را هر سه با بازی نیکی کریمی ساخت.
میلانی به خاطر ساخت این سه فیلم با واکنشهای شدیداللحنی روبرو شد. در سال ۱۳۷۹ پس از به نمایش درآمدن فیلم نیمه پنهان دستگیر شد. وی ۴ روز در انفرادی و ۴ روز در بند عمومی زندان اوین به سر برد و با دخترانی آشنا شد که بعدها زندگی آنها را در فیلمی به نام «تسویه حساب» به تصویر کشید. میلانی پس از ۸ روز از زندان آزاد شد و ۵ سال بعد تبرئه شد.
پس از فیلمهای سهگانه میلانی با بازی نیکی کریمی، فیلم زن زیادی با بازی مریلا زارعی در سال ۱۳۸۳ به نمایش درآمد. این فیلم هم در ادامه حال و هوای فیلمهای اخیر میلانی بود، با واکنش سرد منتقدان مواجه شد اما به فروش خوبی دست پیدا کرد.
در سال ۱۳۸۴ بر اساس کتاب «شفای کودک درون» اثر لوچیا کاپاکیونه، فیلم "آتش بس" با بازی مهناز افشار و محمدرضا گلزار را ساخت. این فیلم که به بخش مسابقه سینمای ایران در جشنواره فیلم فجر راه نیافت، در سال ۱۳۸۵ اکران شد و رکورد فروش صد میلیون تومان در هفته اول را به جای گذاشت. پس از ساخت و اکران فیلم «آتش بس»، لوچیا کاپاکیونه، نویسنده کتاب «شفای کودک درون» با ارسال نامهای به میلانی از او تشکر و قدردانی کرد.
در روز شنبه ۹ مردادماه ۸۹ (۳۱ ژوئیه ۲۰۱۰) در سالن گیبسون آمفیتئاتر شهر لسآنجلس، از بهروز وثوقی بازیگر مشهور سینمای پیش از انقلاب ایران تجلیل شد که عکس حضور تهمینه میلانی روی فرش قرمز این مراسم منتشر شدهاست.