După ce a absolvit liceul din Makuoketa, Milliken a intrat în colegiu unde a studiat mama sa, Oberlin din Ohio. Acolo, interesele sale s-au concentrat asupra matematicii și a limbii grecești antice. Deși a ascultat doar un curs de fizică de douăsprezece săptămâni, care mai târziu a fost considerat o pierdere de timp, lui Millikan i sa cerut să preia cursul fizicii în școala pregătitoare de la colegiu. Din motive de câștig, a acceptat oferta și a predat fizica timp de doi ani după ce a obținut o diplomă de licență în 1891. Se pregătea să studieze manualele pe care le-a reușit să le obțină. Ca recompensă, facultatea de la Colegiul Oberlin ia acordat în 1893 o diplomă de master în fizică și a trimis rezumatele studiilor sale la Universitatea Columbia, care a numit bursa postuniversitară M.
În 1908, Millikan a încetat să lucreze la manuale pentru a dedica mai mult timp cercetării originale. Ca mulți fizicieni ai timpului, el a fost interesat de electronul descoperit recent, în special de amploarea încărcăturii sale electrice, care nu a fost încă măsurată. Fizicianul englez G.A. Wilson a încercat să facă acest lucru examinând efectul unui câmp electric pe un nor de vapori încărcat al eterului. Dar calculele sale s-au bazat pe comportamentul mediu al picaturilor microscopice de eter, deoarece Wilson nu a putut să vină cu o metodă care să permită efectuarea tuturor măsurătorilor pe o singură picătură. Rezultatele lui Wilson au variat pe scară largă, iar unii oameni de știință au început să suspecteze că diferiți electroni au taxe diferite. Și asta ar însemna că electronul nu este o particulă încărcată indivizibilă. Milliken a decis să afle dacă toți electronii au aceeași încărcătură și o măsoară cu precizie. El a reușit să dezvolte o metodă de picături încărcate, care a devenit un exemplu clasic al unui experiment fizic elegant și al realizărilor lui Millikan, pentru care i sa acordat Premiul Nobel.
În primul rând, Milliken a perfecționat configurația experimentală a lui Wilson, construind o baterie puternică care a creat un câmp electric mult mai puternic. În plus, el a reușit să se izoleze în spațiul dintre câteva picături de apă încărcate între plăcile metalice. Atunci când câmpul dintre plăci a fost pornit, picătura sa mișcat încet în sus sub acțiunea atracției electrice. Când câmpul a fost oprit, a căzut sub influența gravitației. Întorcând și oprind câmpul, Millikan putea studia fiecare dintre picăturile suspendate între plăci timp de 45 de secunde, după care s-au evaporat.
Chiar și în perioada de lucru pe manuale, Milliken a efectuat cercetări asupra efectului fotoelectric - lovind electronii de pe suprafața metalică care a survenit pe suprafața luminii. În 1905, Albert Einstein a încercat să explice câteva dintre caracteristicile efectului fotoelectric folosind ipoteza că lumina constă din particule, pe care le numea fotoni. Ipoteza Einstein a fost o generalizare a ipotezei anterioare avansată de Max Planck că energia unui atom oscilant este radiată prin porțiuni sau cuanțe. Deoarece ideea lui Einstein contrazice conceptul general acceptat de lumină ca undă (natura valurilor luminii a fost confirmată prin convingerea datelor experimentale), majoritatea fizicienilor nu au crezut în ea.
Milliken a primit premiul Nobel pentru fizică în 1923 "pentru experimente pentru a determina încărcătura electrică elementară și efectul fotoelectric". În prelegerea sa de la Nobel, Milliken, citând experiența din ambele domenii, și-a exprimat convingerea că "știința se îndreaptă spre două picioare - pe teorie și experiment. Uneori, un picior este avansat înainte, uneori altul, dar progresul constant se realizează numai atunci când ambii pași ".
Alte studii importante efectuate de Millikan în Chicago includ studiile sale asupra diferitelor părți ale spectrului electromagnetic utilizând spectrografie cu scânteie și lucrarea asupra mișcării browniene în gaze, ceea ce a ajutat la confirmarea pozițiilor teoriei moleculare. Proiectele lui Milliken i-au adus recunoașterea internațională, iar rezultatele cercetărilor sale au început să fie introduse în industrie. În 1913, a devenit consultant al Companiei Western Electric pe dispozitive de vid, iar în perioada 1916-1926 a lucrat ca expert în biroul de brevete. În 1917, la invitația astronomul George Ellery Hale si Millikan a mers la Washington, unde a devenit vice-președinte și Director de Cercetare, Consiliul Național de Cercetare - o organizație specială în cadrul Academiei Naționale de Științe, stabilit de guvernul Statelor Unite în timpul al doilea război mondial. Servit Milliken și în forțele de comunicații, unde a coordonat activitățile oamenilor de știință și ingineri, mai ales într-o zonă atât de importantă precum comunicarea cu submarinele.
După război, Millikan sa întors la Universitatea din Chicago, dar numai pentru o perioadă scurtă de timp. Hale, un membru al Institutului de Tehnologie din California Consiliul de Administrație (Caltech) în Pasadena, a invitat Millikan în 1921 în California, sugerându-i la cap noul laborator, cu o capacitate anuală de 90.000 de dolari. Milliken a fost numit director al noului laborator fizic al Bridges și președinte al comitetului executiv al lui Kaltekh, adică. de fapt, președintele institutului. Toată activitatea sa în anii următori, Milliken sa dedicat transformării Caltech într-unul dintre cele mai bune institute de cercetare științifică și inginerie din lume. Dar meritul său cel mai mare a fost atracția în Kalteh a celor mai buni profesori și studenți talentați. Chiar și după ce sa retras din postul de șef al comitetului executiv în 1946, Millikan până la moartea sa a continuat activitățile sale de administrator restante.
Primul proiect al lui Millikan din Kalteh a fost studiul radiației care a căzut pe Pământ din spațiul cosmic (a fost descoperită pentru prima dată de fizicianul austriac Victor F. Hess). Milliken a numit această radiație cosmică de radiații. Acest termen a fost introdus rapid atât în rândul oamenilor de știință, cât și al publicului larg. Într-un efort de a dezlega natura rafinelor misterioase, Milliken împreună cu asistenții săi au ridicat instrumentele la vârfurile munților, le-au lansat pe baloane și le-au coborât până la fundul lacurilor adânci. În cursul acestor studii, unul dintre elevii lui Millikan, Carl D. Anderson, a descoperit poziția și muonul.
Admițând politica de păreri conservatoare, Milliken se opunea Noului Deal al președintelui Franklin D. Roosevelt. El a crezut că cele mai sigure mijloace care pot ajuta Statele Unite să se recupereze de la depresie este cooperarea științei și industriei. Dar, ca mulți conservatori ai timpului, Milliken a fost un adversar al izolaționismului și a promovat foarte activ transformarea programelor de cercetare ale lui Caltech în nevoi militare în timpul celui de-al doilea război mondial. Milliken a fost un modernist religios și a scris mai multe cărți despre relația dintre știință și religie. La petrecere a timpului liber îi plăcea să joace tenis și golf.