La prima esperienza di Marisa Miller nel mondo della moda è stata nel 1998, quando ha posato in topless per la rivista Perfect 10, ma la svolta nella sua carriera è stata nel 2001, quando il fotografo Mario Testino l'ha notata nella spiaggia californiana di Manhattan Beach.
Marisa è comparsa sulle copertine di Vogue Italia, Amica, Cosmopolitan UK, Shape, Self, Fitness, Razor e nelle pubblicità di Andrew Marc, Calzedonia, Tommy Hillfiger e Victoria's Secret.
Vanta numerose apparizioni nella Swimsuit Edition di Sports Illustrated (tutti gli anni dal 2002 in poi).
La sua carriera ha un'impennata tra il 2007 e il 2008, quando firma per l'agenzia Elite Model Management e fa la sua prima comparsa nel Victoria's Secret Fashion Show, la sfilata di moda mediaticamente più importante negli Stati Uniti. Già fattasi notare l'anno precedente per una foto che la ritraeva senza veli coperta solo da un iPod, nel febbraio 2008 appare nella copertina di Sports Illustrated, ottenendo così una grande notorietà, come spesso avviene per le cover girl di quella rivista sportiva (grazie soprattutto alle numerose apparizioni televisive).
Nel 2008 lascia Elite Model Management in favore di Cartel Management, agenzia del marito Griffin Guess.
