Ha fatto parte della squadra statunitense per le Olimpiadi invernali del 2010 alla fine del 2009 ed è stato selezionato per competere in tutte e cinque le discipline, nonostante la sua mancanza di allenamento. Nella sua prima gara, dopo diversi ritardi a causa del clima caldo e delle cattive condizioni di neve, Miller ha vinto una medaglia di bronzo in discesa, il primo americano a vincere una medaglia olimpica in discesa da quando Tommy Moe ha vinto l'oro nel 1994. Il tempo di Miller è stato di 1: 54.40, nove centesimi di secondo dietro il medaglia d'oro Didier Défago e due centesimi dietro Aksel Lund Svindal, che ha preso l'argento; la differenza di tempo tra le medaglie d'oro e di bronzo è stata la più piccola nella storia della discesa olimpica. Poi vinse un medaglia d'argento nel super-G, ottenendo quattro medaglie olimpiche, più di qualsiasi altro corridore alpino americano. Il 21 febbraio 2010, ha vinto la sua prima medaglia d'oro olimpica nel super combinato. Dopo la parte in discesa della gara, Miller era al settimo posto, ma finì terzo nella parte di slalom, ottenendo un tempo totale di 2:44.92 per finire primo in assoluto. Miller poi non è riuscito a finire sia lo slalom gigante
e lo slalom, e si e' preso il resto della stagione a causa dei continui problemi con il suo infortunio alla caviglia.