تهمینه میلانی در سال ۱۳۳۹ در خیابان بهشتی (منصور) شهر تبریز به دنیا آمد. در دوران دبیرستان به تهران نقل مکان کرد و در دبیرستان‌های شرف و مرجان به ادامه تحصیل پرداخت. بسیار جوان بود که به عنوان اولین تجربه سینمائی به عنوان منشی صحنه فیلم خط قرمز برگزیده شد. در کنار کار در کارگاه آزاد فیلم به ادامه تحصیل پرداخت. او که به آرامی به کار در سینما آشنا می‌گردید شروع به نوشتن فیلمنامه (اگر فردا بیاید، دوستت دارم مادر، عشق و مرگ و …) و کار در دیگر فیلم‌ها (ای ایران، جهیزیه‌ای برای رباب، دل نمک و …) کرد. از وی چندین نقد سینمایی در ماهنامه فیلم منتشر شده‌است. اولین نقد او بر فیلم مادیان در اسفند ۱۳۶۵ در شماره ۴۷ ماهنامه فیلم منتشر شده‌است.

اولین فیلم او بچه‌های طلاق جایزه بهترین فیلم اول را در جشنواره فجر برد و جایزه نقدی آن به او کمک کرد که مجدداً به همراه رضا بانکی و مهدی احمدی فیلم افسانه آه را بسازد. پس از شکست تجاری این فیلم، فیلم کمدی دیگه چه خبر با بازی ماهایا پطروسیان را ساخت که بسیار پرفروش شد.

در سال ۱۳۷۶ و با ایجاد فضای باز سیاسی پس از انتخابات دوم خرداد ریاست جمهوری، میلانی فیلم دو زن را ساخت. به خاطر ساخت این فیلم، میلانی جایزه بهترین فیلمنامه جشنواره فیلم فجر را برد و نامزد جایزه بهترین کارگردانی از همین جشنواره شد. میلانی پس از موفقیت فیلم «دو زن» فیلم‌های نیمه پنهان و واکنش پنجم را هر سه با بازی نیکی کریمی ساخت. میلانی به خاطر ساخت این سه فیلم با واکنش‌های شدیداللحنی روبرو شد. در سال ۱۳۷۹ پس از به نمایش درآمدن فیلم نیمه پنهان دستگیر شد. روزنامه‌ها ۴ جرم «اقدام علیه امنیت ملی، محاربه با خدا، همکاری با گروه‌های معاند و تشویش اذهان عمومی از طریق آثار هنری» را اتهامات وی اعلام کرده بودند اما خود او می‌گوید که هیچگاه تفهیم اتهام نشد. وی ۴ روز در انفرادی و ۴ روز در بند عمومی زندان اوین به سر برد و با دخترانی آشنا شد که بعدها زندگی آن‌ها را در فیلمی به نام «تسویه حساب» به تصویر کشید. میلانی پس از ۸ روز به دستور رهبر جمهوری اسلامی علی خامنه‌ای و رئیس‌جمهور محمد خاتمی از زندان آزاد شد و ۵ سال بعد تبرئه شد.

پس از فیلم‌های سه‌گانه میلانی با بازی نیکی کریمی، فیلم زن زیادی با بازی مریلا زارعی در سال ۱۳۸۳ به نمایش درآمد. این فیلم هم در ادامه حال و هوای فیلم‌های اخیر میلانی بود با واکنش سرد منتقدان مواجه شد اما به فروش خوبی دست پیدا کرد. در سال ۱۳۸۴ بر اساس کتاب «شفای کودک درون» اثر لوچیا کاپاکیونه فیلم آتش‌بس با بازی مهناز افشار و محمدرضا گلزار را ساخت. این فیلم که به بخش مسابقه سینمای ایران در جشنواره فیلم فجر راه نیافت، در سال ۱۳۸۵ اکران شد و رکورد فروش صد میلیون تومان در هفته اول را به جای گذاشت. پس از ساخت و اکران فیلم «آتش‌بس»، لوچیا کاپاکیونه، نویسنده کتاب «شفای کودک درون» با ارسال نامه‌ای به میلانی از او تشکر و قدردانی کرد.