Deși Ventimiglia s-a născut în Anaheim, California, a crescut în Orange County, California. Tatăl său are origini siciliene. Numele său de familie, Ventimiglia, este numele unui oraș din Liguria, Italia, ce a dat mai târziu numele unui alt oraș Ventimiglia di Sicilia, și înseamnă "Douăzeci de mile". Milo are două surori mai mari. Când era mic, surorile lui l-au deghizat în Madonna și i-au făcut poze. Milo a găsit pozele când avea 13 ani și le-a rupt. Milo a vrut să devină actor de la vârsta de 8 ani și la aceeași vârstă le-a zis părinților săi că va câștiga un Oscar în douăzeci de ani.
A jucat în multe filme, dar este cunoscut mai ales pentru rolurile dinGilmore Girls(Fetele Gilmore) - Jess Mariano, iubitul lui Rory Gilmore, și dinHeroes- Peter Petrelli. Milo a jucat și în serialulThe Bedford Diaries, dar și în ultima parte a filmuluiRocky, în rolul fiului lui Sylvester Stallone.
Ventimiglia a avut o relație de 3 ani și jumătate cu actrița Alexis Bledel, fosta colegă dinFetele Gilmore; relația celor doi s-a încheiat în iulie 2006. În decembrie 2007 s-a scris că Ventimiglia ar avea o relație cu Hayden Panettiere, colega din serialulHeroes. Pe 22 aprilie 2008, actorul a confirmat zvonurile, dar relatia a luat sfarsit în 2009. Actorul este lacto-vegetarian, nu fumează și nici nu bea alcool. Milo este fanul formației britaniceThe Clashși un fan înrăit al skateboardingului.
Acest actor a fost răsplătit cu o stea situată pe Bulevardul Walk of Fame din Hollywood pentru activitatea sa din filme.
