Sein erstes Spiel auf der ATP World Tour bestritt Millman im Januar 2010 beim Turnier von Brisbane, wo er in der ersten Runde auf die damalige Nummer zwölf der Weltrangliste Radek Štěpánek traf. Während er im ersten Satz noch mithalten konnte, ging im zweiten Satz nichts mehr und so verlor er letzten Endes mit 4:6 und 0:6. Auch in den folgenden zwei Jahren war er jeweils für das Turnier von Brisbane gemeldet. 2011 wurde ihm eine Wildcard erteilt und 2012 schaffte er über die Qualifikation den Sprung ins Hauptfeld. Er verlor jedoch beide Male sein Auftaktspiel. 2013 spielte er ebenfalls an seinem Heimatturnier und konnte erstmals ein Spiel auf der ATP World Tour gewinnen. Er schlug in seiner Auftaktpartie den Japaner Tatsuma Itō in zwei Sätzen. In der zweiten Runde traf er bereits auf den topgesetzten Briten Andy Murray, der zugleich auch Titelverteidiger war. Nach deutlich verlorenem ersten Satz spielte Millman groß auf und entschied den zweiten Satz zu seinen Gunsten. Letztlich verlor er das Spiel mit 1:6, 7:5 und 3:6.
Auf der ATP Challenger Tour gewann Millman im Oktober 2010 seinen ersten Titel. Er siegte in Sacramento gegen Robert Kendrick in zwei Sätzen mit 6:3 und 6:2. Seinen zweiten Titel in dieser Kategorie holte er sich am 2. Februar 2013. Er gewann in Burnie das Finale gegen den Franzosen Stéphane Robert in drei Sätzen mit 6:2, 4:6, und 6:0.
Ab Sommer 2018 arbeitete Millman mit dem ehemaligen deutschen Tennisprofi Jonas Lütjen zusammen. Bei ihrem ersten gemeinsamen Turnier, den German Open am Hamburger Rothenbaum im Juli 2018, erreichte Millman nach einem 7:5, 6:3 gegen Jan-Lennard Struff die zweite Runde. Dort verlor er gegen den topgesetzten Dominic Thiem. Beim Masters in Cincinnati war Millman in der Qualifikation an Nummer 1 gesetzt, musste aber beim Spielstand von 5:5 gegen den US-Amerikaner Tim Smyczek verletzungsbedingt aufgeben. Beim letzten Turnier vor den US Open in Winston-Salem verlor John Millman in der Auftaktrunde, ehe er bei den US Open für eine große Überraschung sorgte, als er in der Night Session im Arthur Ashe Stadium den an Nummer 2 gesetzten Schweizer Roger Federer in 3 Std. 35 Min mit 3:6, 7:5, 7:6 (9:7), 7:6 (7:3) niederrang. Erst im Viertelfinale musste sich Millman einem wiedererstarkten Novak Đoković mit 3:6, 4:6, 4:6 geschlagen geben. Dadurch verbesserte sich Millman von Platz 54 auf Platz 37 der Weltrangliste und war damit so hoch wie noch nie zuvor platziert. Im Anschluss an die US Open pausierte Millman bis zum Masters Turnier in Shanghai, wo er, obwohl an Position eins gesetzt, in der ersten Runde der Qualifikation gegen den Moldawier Radu Albot verlor. Am 15. Oktober 2018 erreichte er mit Platz 33 seine höchste Notierung in der Weltrangliste.
Millman gewann in der Saison 2020 in Astana seinen einzigen Titel auf der ATP Tour. Im Finale besiegte er Adrian Mannarino in zwei Sätzen. Ein Jahr darauf vertrat er Australien bei den Olympischen Spielen in Tokio, wo er im Einzel die zweite Runde erreichte und im Doppel in der ersten Runde ausschied. Er bestritt bei den Australian Open 2024 sein letztes Profiturnier und beendete nach seinem Ausscheiden seine Karriere.<ref>Dan Imhoff: Emotional Millman’s singles career comes to an end at Australian Open 2024. In: tennis.com.au.Tennis Australia, 11. Januar 2024, abgerufen am 31. Januar 2024 (Lua-Fehler in Modul:Multilingual, Zeile 153: attempt to index field 'data' (a nil value)).</ref>
Von 2017 bis 2021 bestritt Millman insgesamt fünf Begegnungen für die australische Davis-Cup-Mannschaft. Dabei absolvierte er sechs Einzelpartien, von denen er drei gewann.
_(42077293915).jpg){kind=link}
.svg){kind=link}
