In Hollywood begann er zunächst als Cutter und Drehbuchautor. Nach einigen Büchern und weiteren Einsätzen als Regie-Assistent in den frühen Zwanzigerjahren inszenierte er 1925 mit der Stummfilm-Komödie "Seven Sinners" seinen ersten Kinofilm für Produzent Howard Hughes. Schon seine Komödie "Die Schlachtenbummler" (1927) brachte Milestone große Bewunderung und seinen ersten Oscar. Danach folgte der Komödienklassiker "Der kleine Bruder" mit Harold Lloyd in einer seiner schönsten Rollen, der harte Polizeithriller "The Racket" (1928) und die Komödie "Garden of Eden" (1928) mit dem Stummfilm-Star Charles Ray.
Doch erst mit der Erich Maria Remarque-Verfilmung "Im Westen nichts Neues" wurde der Regisseur weltweit bekannt. Die Geschichte einer Gruppe junger Schüler, die im Ersten Weltkrieg furchbare Erfahrungen machen müssen und einer nach dem anderen getötet wird, brachte Milestone seinen zweiten Regie-Oscar.
In den Dreißigerjahren drehte Milestone einer Reihe äußerst erfolgreicher Kinofilme aus den verschiedensten Genres, wie etwa die Komödie "The Front Page" (1931), die erste von insgesamt vier Verfilmungen des gleichnamigen Broadway-Hits von Ben Hecht und Charlie McArthur. Seinerzeit spielten Adolphe Menjou und Pat O'Brien die Hauptrollen, Milestone erhielt eine weitere Oscar-Nominierung als bester Regisseur.
1932 folgte die anspruchsvolle W. Sommerset Maughman-Verfilmung "Rain" mit John Huston und Joan Crawford, 1933 das Erfolgsmusical "Hallelujah, I'm a Bum", das gleichzeitig die Rückkehr der großen Stummfilm-Stars Al Jolson und Harry Langdon auf die Leinwand bedeutete. Milestone fühlte sich vielen Genres gewachsen, galt er doch in Hollywood als einer der technisch versiertesten Regisseure, der großen Wert auf die Vorbereitung seiner Drehs legte. 1936 inszenierte er den spannenden Abenteuerfilm "Der General starb im Morgengrauen" mit Gary Cooper in der Rolle eines Draufgängers, der in China die Landbevölkerung gegen einen tyrannischen General alias Akim Tamiroff unterstützt.
Drei Jahre später kam "Von Mäusen und Menschen" - ein klassisches Drama nach John Steinbeck - mit Burgess Meredith und Lon Chaney jr. in die Kinos. Weitere Hightlights folgten in den 40er Jahren: "Aufstand in Trollness" (1943) mit Errol Flynn, Ann Sheridan und Walter Huston, "The Purple Heart" (1944) mit Dana Andrews, Richard Conte und Farley Granger, "A Walk in the Sun" (1946), die Verfilmung des Zweiten-Weltkrieg-Romans von Harry Brown (erneut mit Dana Andrews und Richard Conte) und "Die seltsame Liebe der Martha Ivers" (1946) mit Barbara Stanwyck, Kirk Douglas und Van Heflin im Stil des film noir inszeniert.
1948 verfilmte Lewis Milestone nach "Im Westen nichts Neues" erneut ein Werk von Erich Maria Remarque: "Der Triumphbogen", die Geschichte eines emigrierten deutschen Chirurgen in Paris alias Charles Boyer, der sich in seinem Leben auf nichts mehr einlassen will, schließlich aber doch der Liebe bzw. Ingrid Bergman erliegt. Danach folgte "Red Pony" ("Gabilan, mein bester Freund",1949), ein exzellentes Drama nach John Steinbecks gleichnamigen Roman mit Beau Bridges, Myrna Loy und Robert Mitchum. In den Fünfzigerahren entstanden mehr oder weniger mittelmäßige Filme, erst mit "Mit Blut geschrieben", ein Kriegsfilm um den verlustreichen Kampf zwischen Chinesen und Amerikanern im Koreakrieg, konnte Milestone an die Qualität früherer Inszenierungen anknüpfen.
Mitte der Fünfziger begann Milestone, auch fürs Fernsehen zu drehen. Folge: Die Zahl seiner Kinofilme tendierte plötzlich gen Null. Es sollten nur noch zwei Filme, die er persönlich beendete, folgen: "Frankie und seine Spießgesellen" (1960), eine Geschichte um das berühmte "Rat Pack" um Superstar Frank Sinatra, und "Meuterei auf der Bounty", das Remake des Klassikers von 1935 mit Marlon Brando, Richard Harris und Trevor Howard in den Hauptrollen.
Zwar begann Milestone noch zwei weitere Filme - das Kriegsabenteuer "PT 109" (1963) und "The Dirty Game" (1966) -, doch beide Projekte beendeten andere Regisseure und zeichneten sie mit ihrem Namen.