Дочь дирижёра Риккардо Витале и хореографа Наташи Шидловски, русской по происхождению. Кинодебютом стала роль Лизы в итальянской экранизации Достоевского Братья Карамазовы (1947).
В том же году получила известность, исполнив роль Марии в фильме Луидже Дзампы Anni difficili, с такими актёрами как Массимо Джиротти, Аве Нинчи и Делия Скала. Благодаря работе в картине Мелвилла Шавельсона Eravamo sette fratelli (1954), Милли Витале получает определённую международную известность.
В 1960 году переехала в США, где вышла замуж за нефтяного магната Ли Винсента Hилльера, бывшего мужа иранской принцессы Фатимы Пехлеви. У них было два сына, Эдвардо Лерой (род. 1961) и Винсент Ли (род. 1964). Супруги развелись в 1970 году, и Витале вернулась в Италию.За 40 лет работы в кино Милли Виталле снялась в пятидесяти фильмах.Умерла в Риме в 2006 году, похоронена на кладбище Кампо Верано.