Den 22-åriga 14:e fröet gick ner 6-3 1-6 6-4 6-1 i den första omgången i New York.
Kyrgios såg ut att ha tagit kontroll över matchen innan han skadade axeln i det tredje setet.
"En serve och min arm är helt död," sa han till sjukgymnastiken när han fick behandling.
"Jag vet inte vad jag ska göra. Den är så död och bedövad att den är otroligt svag. Jag kände det inte alls, och helt plötsligt, pang, med en serve."
Efter att ha släppt den första uppsättningen till Millman, värld nummer 235, verkade det som om Kyrgios var på väg till seger när han tog den andra 6-1.
Men tävlingen förändrades dramatiskt med Kyrgios tjänar på 1-1 i den tredje, vid ett tillfälle ber en boll pojke att hjälpa honom att sträcka sin högra arm.
För att öka sin frustration fick Kyrgios en varning för en hörbar oanständighet och, efter att ha förlorat den tredje uppsättningen, bestraffade han en punkt där han våldsamt slog sönder sin racket.
"Min förhand gör ont, det är så irriterande", sa han till tränaren.
När det är helt i sin ordning har Kyrgios visat den typ av form i år som har gjort honom tippad som en möjlig Grand Slam mästare, tar en rasande Federer till en sista uppsättning slips-break i Miami och når sin första Masters final i Cincinnati denna månad.
"Jag vet inte vad jag ska göra, jag vet verkligen inte", tillade han i domstolen.
"Jag mår bra, jag hade äntligen en bra vecka förra veckan, spelar en bra match, mitt i den tredje uppsättningen mot en Aussie, och pang - det är allt."
Millman fortsätter att möta Tunisiens Malek Jaziri eller Thiago Monteiro av Brasilien i den andra omgången.
"Jag vet att Nicks axel försämrades när matchen fortsatte, så det är en seger, men något ihålig", säger Millan. "Jag känner för honom."
Australiens Nick Kyrgios kämpade med en axelskada när han förlorade till landsman John Millman på US Open - erkänna: "Jag vet inte vad jag ska göra."