Образование получил в 1-й Московской гимназии, затем на историко-филологическом факультете Московского университета.
В 1886 году Милюков стал приват-доцентом Московского университета, где читал спецкурсы по историографии и истории колонизации России. К моменту защиты диссертации у молодого ученого уже было громкое имя в научном мире.
После нескольких лекций о развитии русского освободительного движения Милюкова отстранили от педагогической деятельности, уволили из Московского университета и отправили в ссылку.
Революционные события 1905–1907 годов окончательно сделали «отлученного» от преподавания приват-доцента оппозиционным политиком и публицистом, который всерьез полагал, что общество можно «подготовить» к конституционным преобразованиям.
С лета 1905 года бывший историк становится бессменным руководителем кадетской фракции во всех четырех Думах, наиболее активным оратором и главным экспертом по внешнеполитическим вопросам.
Первую мировую войну он рассматривал как возможность усилить внешнеполитическое влияние государства, связанное с укреплением позиций на Балканах и включением в состав Российской империи проливов Босфор и Дарданеллы, за что получил красноречивое прозвище «Милюков-Дарданелльский».
После Февральской революции принимал участие в формировании Временного правительства, в состав которого вошел как министр иностранных дел. Большевистский переворот П.Н. Милюков не принял и стал использовать все свое влияние для борьбы с советским режимом, выступая за вооруженную борьбу.
В ноябре 1918 года П.Н. Милюков выехал в Западную Европу, чтобы добиться от союзников поддержки антибольшевистских сил. Некоторое время жил в Англии, где выступал в печати и публицистике от имени Белого движения. Но после эвакуации войск Врангеля из Крыма изменил свою позицию и заявил, что Россия не может быть освобождена вопреки воле народа. Тогда же он переехал в Париж, где возглавил Союз русских писателей и журналистов и совет профессоров во Франко-русском институте.
Перемена мировоззрения поставила П.Н. Милюкова в оппозицию к большей части русской эмиграции. На него было совершено несколько нападений, от одного его спас отец писателя В. Набокова, закрыв своим телом.
В эмиграции П.Н. Милюков много писал и издавался, выступал с лекциями об истории России во многих странах, в том числе и в США.
С 1921 по 1940 год П.Н. Милюков редактировал парижскую газету «Последние новости», которая много значила для жизни эмиграции, объединяла вокруг себя лучшие литературные и публицистические силы русского зарубежья. На страницах газеты появлялись произведения И.А. Бунина, М.И. Цветаевой, В.В. Набокова, М.А. Алданова, Саши Черного, К.Д. Бальмонта, А.М. Ремизова и многих других.
В условиях Второй мировой войны П.Н. Милюков безоговорочно был на стороне СССР, рассматривая Германию как агрессора. Он искренне радовался Сталинградской победе, оценивая ее как перелом в пользу СССР.
П.Н. Милюков умер в Экс-ле-Бен 31 марта 1943 года в возрасте 84 лет и был похоронен на временном участке местного кладбища. Вскоре после окончания войны старший сын перевез гроб отца в Париж в семейный склеп на кладбище Батильон.