En 1948, Vera Miles, résidant alors à Wichita, est couronnée Miss Kansas. Elle obtiendra la troisième place au titre de Miss America cette même année.
Elle déménage ensuite à Los Angeles pour se lancer dans la carrière d'actrice. Elle commence à obtenir de petits rôles à partir de 1950, dont par exemple Les Coulisses de Broadway, où joue aussi Janet Leigh. Les deux actrices se retrouveront quelques années plus tard sœurs dans le chef d'œuvre d'Alfred Hitchcock, Psychose. Avant cela, elle pose pour des publicités, comme le voulait la coutume pour les starlettes en ce temps-là. En 1953, elle est à l'affiche de La Charge sur la rivière rouge, une grosse production en 3D. En 1954, elle joue la petite amie de Tarzan (joué par Gordon Scott, qui deviendra son second mari l'année suivante) dans Tarzan chez les Soukoulous.
En 1956, elle tient le premier rôle pour John Ford, dans la prisonnière du désert en 1950 (après avoir fait de la figuration pour l'un films du maître, Planqué malgré lui). En 1957, elle signe un contrat de cinq ans avec un autre géant du cinéma, Alfred Hitchcock, à la recherche de sa nouvelle Grace Kelly. Le cinéaste la fera tourner dans sa série, Alfred Hitchcock présente, puis, en 1956, dans le faux coupable (une performance qui sera saluée par la critique). Alors qu'elle doit jouer le premier rôle féminin de sueurs froides, elle tombe enceinte. Résultat, le rôle est confié à Kim Novak, et Alfred Hitchcock perd son intérêt artistique pour Vera Miles, ce qui ne l'empêchera pas de lui donner un rôle de premier choix dans Psychose.
En 1962, elle joue dans le classique de John Ford, l'homme qui tua Liberty Valance.
Après de nombreuses apparitions T.V., et plusieurs films, elle retrouve son personnage de Lila Crane dans Psychose II, en 1983.
En 1995, elle prend sa retraite. Depuis, elle refuse tout contact avec la presse, et ne fait aucune apparition publique.
 
Vera Miles fut mariées à trois reprises. Son premier mari fut le cascadeur Bob Miles, entre 1948 et 1954. Son second, de 1956 à 1960, fut l'acteur Gordon Scott (qui fut Tarzan à cinq reprises entre 1955 et 1960). Son dernier mari, l'acteur et réalisateur Keith Larden, le fut de 1960 à 1971.