О том, что Императорское Правительство сделало всё возможное для предотвращения войны, писал Миллер в статье по поводу 20-летия её начала. Но в те же годы в частном разговоре со своим подчинённым по Русскому Обще-Воинскому Союзу князем С. Е. Трубецким он горячо нападал на тогдашнего министра иностранных дел С. Д. Сазонова и всё русское правительство: «Надо было во что бы то ни стало сохранить тогда мир, даже если для этого нам пришлось бы пойти на большие уступки. Лет через 10-15 Россия была бы настолько сильна, что могла бы диктовать Германии и Австрии свои условия... Надо было тогда бросить Сербию, и войны бы не было, а потом, усилившись, мы могли бы воздать той же Сербии сторицей». Генерал считал, что, бросив Сербию, Россия купила бы этим десятилетие мира... История, как известно, не терпит сослагательного наклонения. Трудно сказать, к чему бы привела такая позиция России; скорее всего, в тех условиях война всё равно разразилась бы, но честь России потерпела бы урон.
Генерал Миллер выступил на войну в должности начальника штаба V-й армии, которая вместе с III-й, IV-й и VIII-й армиями образовала Юго-Западный фронт. Задачей их было - ударить по главным линиям сообщения австрийских армий в северо-западной части Галиции и таким образом отрезать войска, собранные в Восточной Галиции, от Австро-Венгрии и союзников-немцев. Развернулась Галицийская битва, принёсшая первый успех русскому оружию. Она определила и первый успех Миллера как талантливого генштабиста.
Русские войска одержали решительную победу, после которой генерал Плеве заставил заговорить о себе как о выдающемся военачальнике, толковом, чутком в отношении планов противника, решительном, настойчивом и храбром. Но его подчинённым, и особенно ближайшему сотруднику - генералу Миллеру, было с ним нелегко в силу его педантичности, излишней требовательности и мелочности.
В конце 1914 года германская армия предприняла наступательную операцию, чтобы остановить русское продвижение по левому берегу реки Вислы. Генерал Миллер в качестве начальника Штаба V-й армии принимал участие в отражении наступления немцев на Варшаву, а затем - в Лодзинской операции. С декабря весь русско-германский и русско-австрийский фронт превратился в стабильную линию, на которой велась позиционная война и которая не изменялась до конца января 1915 года.
За боевые отличия Миллер был 31 декабря 1914 года произведён в генерал-лейтенанты. В январе 1915 года он формировал Штаб ХII-й армии Западного фронта (в командование ею вступил генерал Плеве) и с этой армией в должности начальника её Штаба принимал участие в дальнейших военных действиях.
1915 год не принёс России желаемых побед: в январе на Юго-Западном фронте началось новое наступление австрийских войск, и почти одновременно, в феврале, германские армии в Восточной Пруссии двинулись на Августов - Гродно, где бои шли до марта. А уже с конца апреля началось германское наступление в Курляндии, и эта операция растянулась почти на пять месяцев, в течение которых русские войска отступали с тяжёлыми боями. С мая 1915 года двинулись вперёд в верховьях Вислы, на Дунайце, австрийские армии, что также привело к затянувшемуся до осени отступлению русских.
Генералы Плеве и Миллер в начале мая были переведены на Риго-Шавельское направление (Северо-Западный фронт), где V-й армии - теперь они вновь её возглавили - была поставлена задача ликвидации наступления немцев на Митаву и Ригу. Разыгралось сражение под Шавлями, результатом которого стала оккупация немцами почти всей Курляндии.