De befodrande Lions tog en tidig ledning när Byron Webster ledde förbi Väktaren Reice Charles-Cook från Shane Fergusons hörn,
Men Shaun Williams sändes iväg till Millwall efter bara 26 minuter när han verkade headbutt Ruben Lameiras.
Coventry utnyttjade John Flecks 30-yards skott följdes upp av Marcus Tudgays tå-poke för att vinna.
Med fyra matcher kvar, Millwall kvar femte i play-off platser, tre poäng från sjunde plats Barnsley.
Coventry, klättra en plats tillbaka till 12: e, åttor poäng på drift av play-off platser, efter bara deras tredje seger i 17 matcher.
Sky Blues chef Tony Mowbray berättade för BBC Coventry & Warwickshire:
"På balansen i pjäsen förtjänades det. Det är aldrig lätt att spela mot tio män.
"Men vi såg det hemma. Nu måste vi se om vi kan avsluta säsongen starkt.
"Det är viktigt för supportrarna av vår klubb att se att vi kämpar för varje punkt."
Millwall manager Neil Harris berättade för BBC Radio London:
Mediauppspelning stöds inte på den här enheten
"Att skicka iväg var ett stort slag. Efter att ha tittat på det snabbt, har jag inga klagomål.
"Vi såg riktigt solida, verkligen organiserade. Jag kunde inte minnas att vi gav bort för många chanser, förutom möjligheten strax före halvtid.
"Jag är förtjust i spelarna eftersom andan de visade och kampen de visade för att få ett resultat var fantastiskt med tio män."
Coventry övervann 10-mans Millwall på Ricoh Arena för att säkra sin första seger i sex League One matcher.