Penelope Ann Miller (Los Angeles, Kalifornia, 1964. január 13. –) amerikai színésznő.

Penelope Ann Miller - Beatrice Ammidown jelmeztervező és újságíró, és Mark Miller színész középső gyermekeként jött a világra 1964. január 13-án. Nővére, Marisa szintén színész, húga, Savannah szociális munkás. Penelope 18 éves korában New York-ba költözött, ahol Herbert Berghoff irányítása alatt a HB Stúdióban tanult színészetet.

Penelope 1985-ben tűnt fel először a képernyőn Keena szerepében, a Tales from the Darkside című sorozatban. Szerepelt az Egy bébiszitter kalandjai-ban, a Biloxi Blues-ban, de játszott a Miami Vice egyik epizódjában is. A Pee Wee nagy kalandja című vígjátékban már lényegesen nagyobb szerepet kapott, Távol az otthontól Sally-je pedig már igazi főszerep volt. Don Johnson partnere volt a Nincs irgalom című akciófilmben, Lori Mitchell-t alakította a Philadelphiai zsaru-ban, valamint Tina Sabatini-t Az újonc című vígjátékban, Utóbbiért elnyerte a Chicago-i Filmkritikusok Díját a "legígéretesebb színésznő" kategóriában, 1991-ben.

1990-ben aztán Ivan Reitman rá osztotta a fiát egyedül nevelő tanárnő szerepét az Ovizsaru című vígjátékban, Arnold Schwarzenegger mellett. Edna Purviance-t játszotta az 1992-es Robert Downey Jr.-féle Chaplin c. filmben, de főszerepet játszott Brian De Palma 1993-as Carlito útja című thrillerében is, Al Pacino és Sean Penn társaságában. Láthattuk még 1994-ben Az Árnyék-ban, a Boszorkányüldözésben, de az 1997-es A bestia című horrorfilmben is. A Bloom család két szólamban című romantikus drámában Lilah Bloom szerepében is kiváló munkát végzett, amivel ismét díjat nyert, ezúttal a 2. Hollywood Film Awardson. 2015-ben a Bűnök és előítéletek című sorozat 11 epizódjában játszotta Eve Carlint. 2016-ban meg is kapták a legjobb csapat díját a 20. Satellite Awardson. Az Egy nemzet születése című 2016-os életrajzi drámában is emlékezetes alakítást nyújtott Elizabeth Turner szerepében.