Willoughby Dayton Miller nacque da John H. Miller e Nancy L. Sommerville ad Alexandria (Ohio, USA) il 1º Agosto 1853. La sua educazione cominciò nella scuola pubblica della sua città natìa, dove aiutava anche la sua famiglia nella conduzione della loro fattoria, ma nel 1865 i suoi genitori si trasferirono a Newark, Ohio, dove si diplomò al liceo nel 1871. Nello stesso anno entrò all’Università “Ann Arbor”, in Michigan dove rimase fino al 1875 e in cui conseguì l' A.B. degree in Matematica e Fisica. Successivamente si trasferì in Scozia, dove prese parte a corsi aggiuntivi di chimica, matematica e fisica. Durante il periodo di studi ad Edimburgo, ebbe gravi problemi finanziari a causa del fallimento della sua banca e perse quasi tutti i suoi soldi, e per questo motivo non poté continuare i suoi studi.