Nacida en Evansville, Indiana, su verdadero nombre era Mary Ellen Reynolds. El nombre de Miller deriva del de su padrastro, Oscar Caro Miller, y Marilyn era una combinación y adaptación del suyo de nacimiento, Mary, y uno de los de su madre, Lynn.12 Aunque inicialmente se hizo llamar Marilynn, siguiendo el consejo de Florenz Ziegfeld, borró una "n" de su nombre.
Era la hija menor de Edwin D. Reynolds, un instalador de líneas de teléfono, y su primera esposa, Ada Lynn Thompson.12 La pequeña artista tenía solamente cuatro años de edad cuando, con el papel de Mademoiselle Sugarlump, debutó en el Lakeside Park de Dayton (Ohio) como miembro del número de vodevil de su familia, el Columbian Trio, que en aquella época incluía a su padrastro, Oscar Caro Miller, y a sus dos hermanas mayores, Ruth y Claire. Tras sumarse Marilyn y su madre al número, el grupo pasó a llamarse los Five Columbians. Desde su casa en Findlay, Ohio, viajaron durante diez años por el Medio Oeste de los Estados Unidos y por Europa representando variedades y evitando el control del trabajo infantil por parte de las autoridades, hasta que Lee Shubert descubrió a Marilyn en el Lotus Club de Londres, Inglaterra, en 1914.