Milioti startet karrièren med små roller i reklamer i USA, blant annet en for Ford Edge. Hun har også spilt i TV-serien , og filmen . Milioti er ellers kjent for sine sceneopptredener. Hun var i 2010 stjernen i , og ble nominert til en Lucille Lortel Award for fremragende kvinnelige hovedrolle for arbeidet i .