Venu au monde le 8 juillet 1977, Milo Anthony Ventimiglia voit le jour à Anaheim, Californie. Il a grandi à Orange County.
À 8 ans, il annonce à ses parents qu'à l'âge de 20 ans, il va gagner un Oscar, démontrant ainsi qu'il veut vraiment réussir en tant qu'acteur.

Au collège, il fait quelques apparitions dans des pièces de théâtre, lorsqu'il a du temps et lorsqu'il le veut bien. Il est apparemment très bon.

Il joue dans "Opposite Sex" où il est remarqué pour la première fois. Son rôle d'un jeune homme de 15 ans, lui permet d'obtenir un rôle dans la série "Crime Scene Investigation". Il étudie à l'Université de California et au conservatoire de San Francisco.
Il joue dans plusieurs films, et fait quelques apparitions télévisuelles dont : "Fresh Prince of Bel-Air", "Sabrina the Teenage Witch".
Il est apparu dans de nombreuses publicités (I Book de Mac, PT Cruiser...)
 
La directrice de casting de Gilmore Girls le repère et lui propose un rôle, qui à l'origine ne devait durer que deux épisodes.
Il incarnera Jess Mariano, le neveu de Luke. Finalement, son personnage se développe et prend de l'ampleur, il restera au total plus de deux saisons. (Saisons 2 et 3, avec quelques apparitions dans les saisons 4 et 6).

Le couple Rory et Jess n'aura pas fait long feu comparé à celui de Milo et Alexis... Milo a rencontré Alexis Bledel sur le plateau de la série. 
Après une relation de 4 ans environ Alexis et Milo se sont séparés.

Aujourd'hui, Milo Ventimiglia partage son quotidien avec sa partenaire dans Heroes, série où il incarne la personnage de Peter Tetrelli, la jeune Hayden Pannetière.

Jess est le neveu de Luke et le nouveau arrivé en ville. La soeur de Luke, envoie son fils à Stars Hollow, ne supportant plus l'adolescent à problèmes et implore son frère de bien vouloir s'en occuper. De nature plutôt rebelle, il donnera beaucoup de difficultés à Luke dès le départ. Il se bat, sèche les cours et fume dans l'appartement en écoutant sa musique aussi fort que possible. Dès la première rencontre Lorelai n'apprécie pas le jeune et voit bien qu'il en pince pour Rory.
Cependant, une seule personne réussit à traverser cette carapace et découvre en lui quelqu'un de bien, c'est Rory. Un lien très fort lie les deux jeunes gens, ce qui ne va pas plaire à Dean, l'actuel petit ami de Rory, ni à sa mère qui doute que cela soit la meilleure voie pour lui. Rory ne restera pas longtemps indifférente à son charme et le préfèrera très vite à Dean.
Pourtant même si le jeune homme l'aimera plus que tout il la quittera a la fin de la 3ème saison, pour rejoindre son père et s'enfuir loin de ses problèmes. Mais il reviendra a la charge dans la saison 4, le coeur lourd, en avouant a Rory son amour. Mais cette fois la jeune femme préfèrera Dean...
Dans la saison 6 on pourra le voir à deux reprises, ce qui permettra de réaliser qu'il a changé et évolué. Il poussera Rory à reprendre sa vie en main et à retourner à Yale. On apprend qu'il travaille dans une librairie à Philadelphie et qu'il a écrit un livre.

Milo a fait des apparitions dans quelques séries télévisées en plus des rôles ci-dessus :