Он был в 524 г. до н. э. архонтом в Афинах, а затем (около 518 г. до н. э.) управлял в качестве тирана фракийским Херсонесом как наследник Мильтиада Старшего; сопровождал Дария Гистаспа в походе на скифов и был вместе с другими греками оставлен охранять построенный персами мост на реке Дунай; когда о Дарии долго не было никаких известий, Мильтиад предложил сломать мост и, отрезав таким образом возвращение персам, даровать свободу ионийским грекам, но предположение это встретило отпор со стороны Гистиея Милетского, а также и других тиранов, которые понимали, что, нелюбимые народом, они держатся лишь персидским влиянием.

  Во время восстания ионийских греков Мильтиаду удалось присоединить остров Лемнос к Афинам. Когда восстание это было подавлено, Мильтиад с большой опасностью вернулся в 494 г. до н. э. в Афины, причём сын его Метиох попал в плен к персам. В Афинах он был обвинен врагами в том, что был тираном во Фракии; но он оправдался указанием на благосостояние Херсонеса, которого тот достиг благодаря ему.

Когда персидское войско, предводимое Датисом и Артаферном, стало приближаться к пределам Аттики, Мильтиад был избран в число 10 стратегов для предстоящей войны. Знакомый с персидской тактикой и встретив поддержку своим планам в полемархе Каллимахе, Мильтиад убедил военный совет дать сражение персам в открытом поле; получив благодаря добровольной уступчивости остальных стратегов в свои руки главное начальство над войском, Мильтиад воспользовался всеми выгодами местоположения и, сильным напором ошеломив неприятеля, одержал блестящую победу над ним (в сентябре 490 г. до н. э.) при Марафоне.

В 489 г. был предпринят афинянами поход против отпавших от них островов, и в этом походе Мильтиад принимал деятельное участие. Под его предводительством афиняне обложили остров Парос, но блокада окончилась неудачей; сам Мильтиад был ранен и, опасаясь приближения персидского флота, вернулся в Афины, не добившись никаких результатов. Здесь враги снова обвинили его перед народом, на этот раз — в злоупотреблении общим доверием и в обмане народа. Он был приговорен к штрафу в 50 талантов и, так как не мог уплатить такую сумму, то был заключен в темницу, где и умер, по-видимому, от полученных при осаде Пароса ран.

Был женат на Хегесипиле, дочери Олора — одного из фракийских местных правителей.

При раскопках в Олимпии был найден бронзовый шлем Мильтиада, находящийся ныне в местном археологическом музее.