Milo urodził się jako najmłodsze dziecko i jedyny syn. Ma dwie siostry. Jego ojciec, Peter Ventimiglia pochodzi z Sycylii, zaś matka, Carol ma korzenie irlandzkie, angielskie, szkockie, Cheronee oraz włoskie. W roku 1995 ukończył El Modena High School w Orange, w stanie Kalifornia, gdzie pełnił funkcję przewodniczącego samorządu studenckiego. . Mając 18 lat otrzymał stypendium i uczęszczał do Amerykańskiego Konserwatorium Teatralnego w San Francisco, w stanie Kalifornia, gdzie realizowany był letni program. Studiował na Uniwersytecie Południowego Stanu Kalifornii i Uniwersytecie Kalifornijskim w Los Angeles.

Po raz pierwszy wystąpił na małym ekranie w sitcomie NBC Bajer z Bel-Air jako uczestnik imprezy. Po debiucie na kinowym ekranie w dramacie Życie chłopców 2, pojawił się u boku Freddie'go Prinze Jr. i Rachael Leigh Cook w komedii romantycznej Cała Ona. Telewidzowie jednak najbardziej kojarzą go z rolą zarozumiałego i roztargnionego nastolatka Jessa Mariano w serialu NBC Kochane kłopoty. Popularność przyniosła mu także rola Petera Petrelli w serialu NBC Herosi.

Przez trzy i pół roku (do 2006) spotykał się z Alexis Bledel. Od stycznia 2008 roku spotyka się z aktorką Hayden Panettiere