Milo Ventimiglia est né en 1977 en Californie d'un père sicilien et d'une mère irlando-cherokee. Enfant, ses soeurs ainées s'amusent à la déguiser en Madonna. Une transformation qui lui donne des idées. Il commence le théâtre à 12 ans et consolide sa formation au conservatoire d'art dramatique de San Francisco, avant d'intégrer la prestigieuse Université de Californie.
En 1995, il débute à la télé dans «Le Prince de Bel Air» avant d'apparaître dans des séries comme «Les Experts», «New York Unité Spéciale», mais surtout «Gilmore Girls». Devant au départ ne faire que trois épisodes, il reste deux saisons et sort pendant quatre ans avec Alexis Bledel, star de la série.
En 2006, Milo décroche le rôle de Peter Petrelli dans la série «Heroes», qui le propulse au rang de star mondiale. Sylvester Stallone le choisit alors pour incarner son fils dans «Rocky VI».
Depuis fin 2007, son histoire d'amour avec Hayden Panettiere, la cheerleader de «Heroes», âgée de seulement de 19 ans, fait la une des magazines.