Graduado pelo Instituto de Tecnologia da Califórnia, obteve seu doutorado pela Universidade de Princeton, em 1933, e juntou-se ao Laboratório de Radiação de Berkeley, onde descobriu o oxigênio-15 e berílio-10. Durante a Segunda Guerra Mundial, trabalhou no radar de microondas no Laboratório de Radiação do MIT, e no sonar do Laboratório de Rádio e Som da Marinha. Em 1942 juntou-se ao Projeto Manhattan, o esforço de guerra para criar bombas atômicas, e ajudou a estabelecer o projeto do Laboratório Nacional de Los Alamos, onde as bombas foram projetadas. Liderou equipes que trabalharam no projeto de armas nucleares do tipo balístico, e também participou do desenvolvimento da arma nuclear de implosão.

McMillan co-inventou o síncrotron com Vladimir Veksler. Em 1954 foi nomeado diretor associado do Laboratório de Radiação, sendo promovido a vice-diretor em 1958. Com a morte do físico Ernest Lawrence naquele ano, se tornou diretor, e permaneceu nessa posição até sua aposentadoria em 1973.