Dia masuk tim AS untuk Olimpiade Musim Dingin 2010 pada akhir 2009 dan terpilih untuk bersaing di semua lima acara, meskipun kurangnya pelatihan. Dalam balapan pertamanya, setelah beberapa penundaan karena cuaca hangat dan kondisi salju yang buruk, Miller memenangkan medali perunggu di downhill, orang Amerika pertama yang memenangkan medali Olimpiade di downhill sejak Tommy Moe memenangkan emas pada tahun 1994. Waktu Miller adalah 1:54.40, sembilan perseratus detik di belakang pemenang medali emas Didier Défago, dan dua perseratus di belakang Aksel Lund Svindal, yang mengambil perak; perbedaan waktu antara medali emas dan perunggu adalah yang terkecil dalam sejarah menuruni bukit Olimpiade. Dia kemudian memenangkan medali perak di super-G, memberinya empat medali Olimpiade, lebih banyak daripada pembalap alpine Amerika lainnya. Pada tanggal 21 Februari 2010, ia memenangkan medali emas Olimpiade pertamanya di super gabungan. Setelah bagian perlombaan menuruni bukit, Miller berada di posisi ketujuh, tetapi finis ketiga di bagian slalom, memberinya total waktu 2:44.92 untuk finis pertama secara keseluruhan. Miller kemudian gagal menyelesaikan kedua slalom raksasa
dan slalom, dan mengambil sisa musim off karena terus masalah dengan cedera pergelangan kakinya.