Milo Ventimiglia es una de las estrellas de la serie de televisión de NBC, Héroes (Heroes), acerca de un grupo de gente aparentemente normal que un día descubre que tiene súper poderes. La serie ha recibido una nominación al Globo de Oro a mejor serie de televisión, ganó el Premio del Público a la mejor nueva serie de televisión y fue nominada al Emmy® a mejor serie y este año volvió a ganar el Premio del Público a mejor serie.

Ventimiglia se ganó rápidamente la atención del público cuando se unió al reparto de la muy aclamada serie de televisión Las chicas Gilmore (Gilmore Girls), en el papel del callado y complicado Jess. Milo también protagonizó como Tom Fontana, la serie The Bedford Diaries y American Dreams. Otros de sus trabajos para televisión incluyen un personaje fijo en la serie de David E. Kelley, Profesores de Boston (Boston Public) y como estrella invitada en series de máxima audiencia como El príncipe de Bel-Air (The Fresh Prince of Bel Air) y C.S.I. (CSI: Crime Scene Investigation).

Ventimiglia recientemente protagonizó la película de MGM, Juegos criminales (Pathology), con Alyssa Milano y Lauren Lee Smith, también hizo una aparición en el thriller de Lionsgate, Gamer (Game), e interpretó al hijo de Sylvester Stallone en la sexta entrega de la serie de Rocky, Rocky Balboa. Entre otros de sus trabajos cinematográficos se incluye el filme independiente The Chaos Theory; el thriller de Wes Craven/Kevin Williamson, La maldición (Cursed); Stay Alive y Dirty Deeds. Además, ha protagonizado cortometrajes como Nice Guys Finish Last y Must Be the Music, que fue estrenada con el elogio de la crítica en el Festival de Cine de Sundance de 1996.

Con su productora, DiVide Pictures, lanzó dos libros de cómics con la editorial Top Cow: "Rest" que cuenta la historia de un profesional que trabaja en una oficina de Nueva York y al que un viejo amigo le propone que sea parte de un experimento farmacéutico –que consiste en tomar una pastilla para que pueda funcionar sin dormir-, lo que hace con el tiempo extra y por qué el gobierno es el patrocinador del experimento, es en lo que se centra el libro; el otro, "Berserker" es acerca de un grupo de gente que aparentemente no tienen ninguna conexión, y descubren que, sin saberlo, han nacido con habilidades ocultas para matar. Basada en la mitología nórdica, "Berserker" se centra en un hombre que ha sido puesto al límite mientras trata de recuperar su vida después de haber sido militar en Afganistán.

Bajo el sello de DiVide, Ventimiglia recientemente ha dirigido un cortometraje para la compañía de seguros Liberty Mutual que se emitió en la cadena NBC. También dirigió la primera serie original de American Eagle Outfitters, It's a Mall World, una serie de 12 episodios que se emiten en ae.com, y que ha sido estrenada en MTV y los almacenes de AE de todo el país; también ha producido una serie de animación con plastilina para American Eagle titulada Wintertales que se emitió durante las vacaciones navideñas. Actualmente DiVide tiene un acuerdo digital con Generate, la compañía de Jordan Levin, para producir contenido de entretenimiento para marcas que tratan de conectar con la joven audiencia masculina a través de plataformas digitales.

En julio de 2008 Ventimiglia visitó Oriente Medio durante diez días. Este es el primero de los tres viajes de la USO que tiene programados para conocer y pasar tiempo con hombres y mujeres de las fuerzas armadas, hará su segundo viaje a Alemania y Turquía en noviembre de 2009. Ventimiglia también participa en la organización de los Veteranos de Afganistán de Estados Unidos (IAVA) que apoya a los soldados que regresan a casa después de la guerra.