Milo Ventimiglia est le fils de Peter Ventimiglia (un vétéran du Vietnam), italien d'origine sicilienne, et de Carol Wilson, qui possède des ascendants irlandais, anglais, écossais, français, cherokees, indiens1 et pieds-noirs. Il est le dernier de trois enfants et a deux sœurs. Passionné de Star Wars, il rêve de devenir acteur et fait tout ce qu'il peut pour s'en donner les moyens.

Après des études au El Modena High School d'Orange dont il est diplômé en 1995, il obtient une bourse pour le programme d'été du conservatoire d'art dramatique de San Francisco (American Conservatory Theater) puis entre à la prestigieuse UCLA.