Figlia del direttore d'orchestra Riccardo Vitale e della coreografa russa Natasha Shidlowski, Milly Vitale è nata a Roma nel 1932 e ha studiato nel prestigioso Lycee Chateaubriand.
Esordisce al cinema nel 1947 in un ruolo secondario nella trasposizione de I fratelli Karamazoff firmata da Giacomo Gentilomo, ma consegue una prima notorietà con il successivo Anni difficili di Luigi Zampa.
Tra gli anni Quaranta e Settanta ha interpretato circa sessanta pellicole, tra cui lo strappalacrime Le due orfanelle, sempre a opera di Gentilomo, il thriller Acque amare di Sergio Corbucci, il divertente Cameriera bella presenza offresi..., dove è in coppia con Vittorio De Sica, e il melodrammatico Il tenente Giorgio di Raffaello Matarazzo, al fianco di Massimo Girotti.
L'occasione di ottenere una ribalta internazionale arriva nel 1953 con il dramma di Edward Dmytryk I perseguitati, nel quale duetta con Kirk Douglas, cui seguono Eravamo sette fratelli di Melville Shavelson, dove recita accanto a Bob Hope e James Cagney e una partecipazione nel poderoso Guerra e pace di King Vidor. Compare inoltre in alcune produzioni francesi firmate dal regista Marc Allégret, come Femmina - I cavalieri dell'illusione e L'amante di Paride. In seguito, però, torna a recitare in Italia, dove è protagonista di alcuni melodrammi diretti da Giorgio Walter Chili, tra cui Prigioniera della torre di fuoco, Disonorata senza colpa e Il giglio infranto.
Nel 1960 incontra Vincent Lee Hillyer, ex marito della principessa iraniana Fatemeh Pahlevi, che sposa lo stesso anno, ma dal quale divorzierà in seguito. Successivamente Milly dirada la sua partecipazione sul grande schermo, continuando comunque a prendere parte, tra gli anni Sessanta e Settanta, ad altri titoli, tra cui lo storico Annibale di Carlo Ludovico Bragaglia, dove è al fianco di Victor Mature, l'hollywoodiano Olympia di Michael Curtiz, nel quale fa da spalla a Sophia Loren, il peplum Revak, lo schiavo di Cartagine in coppia con il rude Jack Palance, lo storico Caterina di Russia. Inoltre, torna a essere diretta da Zampa nella celebre satira sulla sanità italiana Il medico della mutua, accanto ad Alberto Sordi, e nella commedia a episodi Contestazione generale. Il suo ultimo film è il cappa e spada La grande avventura di Scaramouche del 1970.
L'attrice si è spenta a Roma nel 2006.
1959 Recitazione
1957 Recitazione
1955 Recitazione
1954 Recitazione