در سال ۱۳۵۷ در رشته برق دانشگاه تبریز به تحصیل پرداخت و با پیروزی انقلاب و بسته شدن دانشگاه‌ها به تهران بازگشت و در رشته معماری دانشگاه علم و صنعت مشغول به تحصیل شد.
با بسته شدن دانشگاه‌ها حضور در جلسات شعرخوانی، نمایش فیلم و از فعالیت‌هایی این قبیل را برگزید. در یکی از این جلسات بود که با مسعود کیمیایی آشنا شد و توانست نظر موافق او را در دستیاری وی در کارگاه آزاد فیلم جلب کند.
میلانی بسیار جوان بود که به عنوان اولین تجربه سینمائی به عنوان منشی صحنه فیلم خط قرمز برگزیده شد. با باز شدن دانشگاه‌ها در کنار کار در کارگاه آزاد فیلم به ادامه تحصیل پرداخت. او که به آرامی به کار در سینما آشنا می‌شد شروع به نوشتن فیلمنامه و کار کرد.
میلانی فعالیت سینمایی را در سال ۱۳۵۸ در کارگاه آزاد فیلم در زمینه تحقیق برای فیلمنامه شروع کرد و در آنجا درباره چند فیلمنامه مانند زیر سایه تفنگ شهید اندرزگو و سرب کارهای تحقیقاتی انجام داد.
وی فعالیت در سینمای حرفه‌ای را سال ۱۳۶۱ به عنوان دستیار کارگردان و مدیر هماهنگی با فیلم به نمایش درنیامده خط قرمز آغاز کرد.
در زمینه تدوین نیز در همان فیلم با عباس گنجوی همکاری کرد، همچنین با مشارکت ابوالحسن داودی دفتر تولید فیلم آرتا فیلم را تأسیس کرد.
میلانی در سال ۶۸ اولین فیلم خود به نام بچه‌های طلاق را ساخت و جایزه بهترین فیلم اول در جشنواره فجر را کسب کرد. یک سال بعد؛ فیلم افسانه آه را ساخت و پس از موفقیت آن؛ فیلم دیگه چه خبر را در گونه سینمای کمدی ساخت.
در سال ۱۳۷۶ میلانی فیلم دو زن را ساخت. به خاطر ساخت این فیلم، جایزه بهترین فیلمنامه جشنواره فیلم فجر را به دست آورد و نامزد جایزه بهترین کارگردانی از همین جشنواره شد. وی پس از موفقیت فیلم دو زن، فیلم‌های نیمه پنهان و واکنش پنجم را با بازی نیکی کریمی، ساخت.
پس از فیلم‌های سه گانه میلانی با بازی نیکی کریمی، در سال 1383 فیلم زن زیادی با بازی مریلا زارعی به نمایش درآمد.
میلانی در سال ۱۳۸۴ بر اساس کتاب شفای کودک درون اثر لوچیا کاپاکیونه فیلم آتش بس را با بازی مهناز افشار و محمدرضا گلزار ساخت. پس از اکران فیلم نویسنده کتاب با ارسال نامه‌ای از میلانی تشکر و قدردانی کرد.
میلانی ازجمله کارگردان‌های سینمای ایران است که آثار وی در سینماهای کشورهای اروپایی و امریکایی اکران و با استقبال خوبی در جشنواره‌های مختلف مواجه می‌شود.
وی در سمت‌هایی همچون کارگردان، فیلمنامه نویس، منشی صحنه و دسیتار کارگردان همکاری داشته و برای وی نامزدی و جوایز بسیاری به دنبال داشته است.
برخی از افتخارات تهمینه میلانی:
- نامزد تندیس زرین بهترین کارگردانی دوره ۷ جشن خانه سینما، واکنش پنجم - ۱۳۸۲
- نامزد سیمرغ بلورین جشنواره فیلم فجر، واکنش پنجم - ۱۳۸۱
- نامزد سیمرغ بلورین بهترین فیلم جشنواره فیلم فجر، بمانی - ۱۳۸۰
- نامزد سیمرغ بلورین بهترین کارگردانی جشنواره فیلم فجر، دو زن - ۱۳۷۷
- برنده سیمرغ بلورین بهترین فیلمنامه جشنواره فیلم فجر، دو زن - ۱۳۷۷
- برنده سیمرغ بلورین بهترین فیلم جشنواره فیلم فجر، بچه‌های طلاق - ۱۳۶۸
- جایزه بهترین فیلمنامه از جشنواره فیلم قاهره برای فیلم واکنش پنجم - 2003
برخی از آثار هنری تهمینه میلانی:
- ۱۳۸۹ فری کثیف
- ۱۳۸۹ یکی از ما دو نفر
- ۱۳۸۶ سوپر استار
- ۱۳۸۶ تسویه حساب
- ۱۳۸۴ آتش‌بس
- ۱۳۸۳ زن زیادی
- ۱۳۸۱ واکنش پنجم
- ۱۳۸۰ بمانی تهیه کننده
- ۱۳۷۹ خاکستری فیلمنامه نویس
- ۱۳۷۹ شب‌های تهران فیلمنامه نویس
- ۱۳۷۹ نیمه پنهان
- ۱۳۷۷ دو زن
- ۱۳۷۳ کاکادو
- ۱۳۷۰ دیگه چه خبر؟
- ۱۳۶۹ عشق و مرگ فیلمنامه نویس
- ۱۳۶۹ افسانه آه
- ۱۳۶۸ بچه‌های طلاق
- ۱۳۶۱ پیک جنگل منشی صحنه
- ۱۳۵۸ خط قرمز منشی صحنه