Родители Пола, выходцы из семей еврейских эмигрантов из России, вскоре после его рождения переехали в Оук Парк, где Пол окончил среднюю школу. Затем он получил степень бакалавра по математике с отличием в Мичиганском университете (1970), степень магистра по статистике (1978) в Стэнфордском университете, был удостоен докторской степени по бизнесу в том же Стэнфорде в 1979 году.

Преподавательскую деятельность Милгром начал с должности ассистента профессора (1979-82), затем был профессором (1982-83) на факультете экономики управления и принятия решений в Келлогской школе менеджмента при Северо-Западном университете. С 1982 по 1987 год Милгром был профессором экономики и менеджмента в Йельском университете.

В 1987 г. Милгром вернулся в качестве профессора экономики в свою альма-матер, Стэнфордский университет. Он занимал также должности директора Стэнфордского института теоретической экономики (1989-91), профессора гуманитарных и естественных наук (с 1993 года), старшего научного сотрудника Стэнфордского института исследований экономической политики (с 2007 года), был президентом Международной западной экономической ассоциации (2007).

Пол Милгром является членом Американской академии искусств и наук с 1992 года, членом Национальной академии наук США с 2006 года, членом Американской экономической ассоциации с 1980 года и др. В 2020 г. он стал лауреатом Нобелевской премии по экономике (вместе с Робертом Уилсоном) за "усовершенствование теории аукционовruen и изобретение их новых форматов".
   

Имя Пол - английская форма латинского имени Paulus, происходящего от прилагательного со значением "маленький". Имя Роберт происходит от германского имени Хродеберт, что означает "яркая слава". Фамилия Мильгром происходит от идишского слова мильгром, которое означает "гранат" (фрукт).