Skriv en fortsættelse til dette afsnit - Han kom på det amerikanske hold til vinter-OL 2010 i slutningen af 2009 og blev udvalgt til at konkurrere i alle fem begivenheder, på trods af hans manglende træning. I sit første løb, efter flere forsinkelser på grund af varmt vejr og dårlige sneforhold, vandt Miller en bronzemedalje i downhill, den første amerikaner til at vinde en olympisk medalje i downhill siden Tommy Moe vandt guld i 1994. Millers tid var 1:54.40, ni hundrededele af et sekund bag guldmedaljerne Didier Défago og to hundrededele bag Aksel Lund Svindal, der tog sølvmedaljen; tidsforskellen mellem guld- og bronzemedaljen var den mindste i OL-nedkørselshistorien. Han vandt derefter sølv i super-G, hvilket gav ham fire olympiske medaljer, flere end nogen anden amerikansk alpin racer. Den 21. februar 2010 vandt han sin første olympiske guldmedalje i super kombineret. Efter nedkørselsdelen af løbet var Miller på syvende plads, men sluttede tredje i slalomdelen, hvilket gav ham en samlet tid på 2:44.92 til at afslutte første samlet. Miller nåede så ikke at afslutte både den gigantiske slalom
og slalom, og tog resten af sæsonen fri på grund af vedvarende problemer med sin ankelskade.