Comenzó muy pronto en el mundo del espectáculo, pero no en la interpretación, sino en el modelaje, trabajando desde que tenía 15 años.

Antes de convertirse en actriz, fue camarera, dependienta en Amen, canguro y auxiliar de información en el metro. Incluso, fue recepcionista de un hotel cuando la llamaron para trabajar en su primera película.

Después de haber participado en diversos cortometrajes como Diagonales, Innermost, Chimichanga y Adentro,​ le llegó la oportunidad de rodar la película No matarás, de David Victori. Trabajó junto a Mario Casas y fue nominada a los Premios Goya como mejor actriz revelación, siendo ganadora del Premio Resplandor de Días de Cine.

Después de su participación en No matarás, fue fichada por Pedro Almodóvar para su película Madres paralelas junto a Penélope Cruz y Aitana Sánchez-Gijón. En ella interpreta a Ana, una madre soltera que ha quedado embarazada como resultado de una violación. Por este papel, volvió a estar nominada al Goya, en esta ocasión a la Mejor actriz de reparto.

Uno de las exitosas adaptaciones de Netflix fue La chica de nieve, basada en el libro homónimo de Javier Castillo. En esta serie, Milena interpreta el papel de Miren Rojo, una joven periodista que trata de encontrar a una niña desaparecida.

El pasado año protagonizó la precuela de una de las películas de terror y ciencia ficción más exitosas de los últimos años en nuestro país: El Hoyo. Compartiendo protagonismo con un irreconocible Hovik Keuchkerian, Milena interpreta a Perempuán, una mujer atormentada por la culpa que hará lo que esté en su mano para acabar con el orden establecido.

Ha participado en la serie Alma, original de Netflix; en la película de terror Tin & Tina, junto a Jaime Lorente; y en la ópera prima de Luc Knowles, Libélulas, con el papel de Cata.

Con sólo 18 años, comenzó una relación y se fue a vivir con él al mes de conocerle. En ese momento comenzó un maltrato físico y psicológico que soportó hasta que temió por su vida e interpuso una denuncia.

Después de haberlo pasado tan mal, parece que Milena ha encontrado la estabilidad junto a su familia, su trabajo y su pareja, Diego San Juan, del que poco se sabe.