A atacante iniciou sua carreira profissional aos 15 anos no time feminino do Clube Atlético Mineiro, em Belo Horizonte. Depois teve passagem pelo Neves, de Ribeirão das Neves, Chapadão do Sul, Rio Preto Esporte Clube, de São José do Rio Preto e pelo Corinthians, até chegar, em 2020, ao Wuhan Xinjiyuan, da China.Após a paralisação do Campeonato Chinês pelo surto de coronavírus, Millene retornou ao Corinthians por empréstimo, com duração até a metade de 2020, com possibilidade de extensão do contrato ao final do vínculo inicial. Em junho de 2020, o clube chinês Wuhan Xinjiyuan solicitou seu retorno.Em março de 2021, Milene volta para o Brasil para defender o Internacional.Em outubro de 2022, após o fim do campeonato brasileiro, anunciou seu retorno ao Corinthians.
Seleção Brasileira
Após ser eleita a melhor atacante e craque do Campeonato Brasileiro Feminino de 2016, Millene foi convocada para a Seleção Brasileira de Futebol Feminino pela primeira vez em 2016, com 21 anos, para disputar o Torneio Internacional de Futebol Feminino. Representou o Brasil novamente em 2018 para a disputa de amistosos e da Copa América Feminina de 2018, conquistando o campeonato.
Em 2019, foi convocada mais uma vez para integrar a equipe para a disputa do Torneio Internacional de Futebol Feminino.