Millerand kutsuttiin vuonna 1909 yleisten töiden ministeriksi Aristide Briandin ensimmäiseen hallitukseen, missä hänen keskeisimmäksi saavutuksekseen muodostui valtion rautateiden uudelleenjärjestely. Yhdessä Briandin kanssa hän otti vastuun sotilaiden käytöstä rautatielakon taltuttamisessa lokakuussa 1910. Vuosina 1912–1913 Millerand toimi sotaministerinä Raymond Poincarén hallituksessa ja järjesti uudelleen sotavoimien ylimmän johdon. Millerand kannatti sotilaallista varustautumista ja ensimmäisen maailmansodan sytyttyä hänet kutsuttiin uudelleen sotaministeriksi syksyllä 1914. Hän tuki ylipäälliköksi nimitettyä kenraali Joseph Joffrea useissa kiistoissa, kunnes menetti ministerinvirkansa hallituksen vaihtuessa lokakuussa 1915. Vuonna 1919 Millerand nimitettiin Ranskaan liitettyjen Alsacen ja Lorrainen alueiden kenraalikomissaariksi. Pääministeri Clemenceaun erottua tammikuussa 1920 Millerand kokosi Ranskan uuden hallituksen, jossa hän toimi sekä pää- että ulkoministerinä. Tämä hallitus pyrki muun muassa tukahduttamaan vallankumouksellisen lakkoliikehdinnän ja tarjosi aseapua Puolalle sen sodassa Neuvosto-Venäjää vastaan.