Mili Avital est née le 3 avril 1972 en Israël, dont elle est citoyenne. Sa carrière y démarre d'ailleurs sous les meilleurs auspices, puisqu'elle décroche le Prix du Meilleur second rôle féminin de l'Académie israélienne (l'équivalent des César) pour son premier film.
Nominée à nouveau pour le deuxième, Groupie, elle déménage finalement aux Etats-Unis en 1993 et gagne sa vie en travaillant comme serveuse. Hasard ou coïncidence ? : un de ses clients se trouve être agent artistique. Ce qui devait arriver arriva, elle dénicha illico un rôle pour la jolie jeune femme, dans le fameux nanar crypto égyptien Stargate.
Suit le western crépusculaire de Jim Jarmusch Dead man, où la jeune femme montre gaillardement ses formes, et Mili monte au créneau en décrochant le rôle principal du thriller Piège intime, où elle s'éprend d'un dangereux psychopathe incarné par Johnathon Schaech. Depuis Animals, Mili a achevé le tournage de Polish Wedding, avec Claire Danes, et de Young Girl & the Monsoon.