Lee conoció al surrealista británico Roland Penrose en París en 1937 y pasó tiempo con su círculo en el sur de Francia, entre los que se encontraban Man Ray, el poeta Paul Eluard y Pablo Picasso, quien pintó un memorable retrato de ella.
Miller se mudó a Londres con Penrose en septiembre de 1939, justo cuando Gran Bretaña declaró la guerra a Alemania. Como fotógrafa con antecedentes surrealistas, el bombardeo de Londres de 1940 le brindó una oportunidad emocionante para capturar la extrañeza y las rarezas de la guerra.
Miller fue la única que fotografió el combate y fue testigo del asedio de Saint Malo, donde los estadounidenses probaron su nueva arma secreta, el napalm. Las fotografías de Miller se publicaron como ensayos fotográficos en la revista Vogue, ediciones británica y estadounidense.
La editora de la edición británica de Vogue, Audrey Withers, no solo quería cubrir temas de moda y belleza, sino también mantener a sus lectores al tanto de los asuntos de actualidad y las cuestiones sociales.
Miller y Withers trabajaron en estrecha colaboración para transformar la revista de moda y estilo de vida en algo que también hablara de lo que estaba sucediendo en el mundo, publicando artículos de moda junto con historias e imágenes de la guerra.
Miller siempre tuvo como objetivo mostrar la verdad en su fotografía de guerra. En sus fotografías de la liberación de los campos de concentración de Buchenwald y Dachau, en abril de 1945, documentó las atrocidades del régimen nazi en su forma más terrible.
El día después de fotografiar Dachau, posó para su retrato más famoso en tiempos de guerra, tomado por su amigo y colega, el fotógrafo de la revista Life David E. Scherman. El retrato muestra a Miller lavándose en el baño de Hitler en su apartamento de Múnich, con un aspecto cansado pero hermoso, con las botas tiradas en el suelo y una imagen del Führer apoyada en los grifos.
Después de la guerra, en 1947, Miller quedó embarazada de su único hijo, Antony Penrose, autor de The Lives of Lee Miller, en el que se basa la película de Winslet, y se casó con su padre, Roland Penrose.
En 1949 se mudaron de Londres a Farley Farm, en la zona rural de East Sussex, donde Miller se dedicó al ámbito doméstico y se convirtió en una cocinera y anfitriona consumada.
Las imágenes que presenció durante la guerra la atormentaron durante el resto de su vida y se volvió dependiente del alcohol; hoy le habrían diagnosticado trastorno de estrés postraumático.
Miller murió en Farley Farm en 1977, dejando un extraordinario legado fotográfico y ha sido objeto de numerosas exposiciones desde entonces.