После неудачной (из-за происхождения) попытки поступить на военно-морскую службу был принят в военное училище, которое окончил в 1911 году. Произведенный по выпуску в офицеры получил назначение в 1-й Кенигсбергский артиллерийский полк, но вскоре перешел в авиацию.
Участник Первой мировой войны на Восточном и Западном фронтах. Войну начал воздушным наблюдателем-корректировщиком. Затем служил батальонным адъютантом (в начале Первой мировой войны в германской авиации были авиационные батальоны), командиром звена и отряда разведывательной авиации. В конце войны назначен командиром 6-й истребительной авиагруппы (36 самолетов), но не будучи летчиком-истребителем, на боевые задания не вылетал.
За боевые отличия в годы Первой мировой войны удостоен нескольких наград, в том числе награжден Железным крестом 2-й и 1-й степени. Войну закончил в чине капитана. В связи с демобилизацией кайзеровской армии и ликвидацией германской военной авиации (в соответствии с условиями Версальского мира 1919 года) в 1920 году уволен в запас.
Первое время после увольнения из армии работал пилотом гражданской авиации. В 1923 году устроился чиновником в частную авиакомпанию «Юнкерс», а через год уже руководил ее авиационными предприятиями в Бразилии, Аргентине и США. В 1925 году стал главным управляющим авиакомпании «Юнкерс Люфтверк АГ». В 1926—1933 годах главный исполнительный директор «Люфтганзы».
В начале 1930-х годов сблизился с нацистским движением, стал оказывать ему финансовую поддержку, а лидеру этого движения А. Гитлеру даже предоставлял в личное пользование самолеты авиакомпании. Особо тесные отношения у Мильха установились с бывшим летчиком кайзеровской армии и заместителем Гитлера Г. Герингом.
С приходом в январе 1933 года к власти в Германии нацистов карьера Мильха пошла круто вверх. В апреле 1933 года было создано Имперское министерство авиации, которое возглавил Г. Геринг. Статс-секретарем нового министерства (по рангу, второе должностное лицо в министерстве) он назначил Мильха, которого хорошо знал и высоко ценил за организаторские способности. Одновременно Мильх был сразу же произведен из капитанов запаса в генералы.
Вместе с Герингом Мильх возглавил руководство созданием «секретных» германских ВВС (люфтваффе). Поскольку Версальский мирный договор 1919 года запрещал Германии иметь ВВС, то все работы по их созданию проводились тайно. В феврале 1935 года Гитлер денонсировал статьи Версальского договора, касающиеся военной авиации, и официально объявил о создании люфтваффе. Мильх получил чин генерал-лейтенанта (1935), через год — генерала авиации, а в 1938 году — генерал-полковника. 1 февраля 1939 года в дополнение к своей основной должности статс-секретаря министерства он назначается генерал-инспектором ВВС.
Однако в середине 1930-х годов карьера Мильха оказалась под угрозой краха. Нацистские идеологи подняли вопрос о его «неарийском» происхождении. Началось доскональное расследование этого дела. В результате было установлено, что статс-секретарь имперского министерства авиации и генерал германских люфтваффе является сыном еврея. Создалась ситуация совершенно немыслимая для высшего должностного лица при нацистском режиме. Но тут в дело вмешался лично «наци № 2» Геринг, заявивший, что ему лучше знать, кто в его министерстве еврей, а кто — нет. Надо сказать, что Геринг никогда не был таким ортодоксальным антисемитом, как Гитлер, и не воспринимал всерьез расистские бредни идеологов нацизма. При укомплектовании своих люфтваффе он исходил прежде всего из профессионализма кадров, а все остальное для него было не заслуживающим внимания. Поэтому в германских ВВС лиц «неарийского» происхождения было значительно больше, чем в армии и на флоте, не говоря уже о других воинских формированиях, например, типа СС.
Поняв, что его ближайшему помощнику угрожает серьезная опасность, Геринг решил проблему спасения Мильха довольно оригинальным образом. Он заполучил собственноручно подписанный матерью Мильха документ, в котором она под присягой заявила, что ее сын Эрхард Мильх является плодом ее внебрачной связи с бароном Г. фон Биром. Потрясая этой бумагой перед комиссией блюстителей «чистоты арийской крови», Геринг заставил ее полностью реабилитировать своего заместителя, да еще и извиниться перед ним за нанесенный «моральный ущерб».
В начале 1940 года Мильх был назначен командующим 5-м воздушным флотом, созданным для проведения Северной кампании 1940 года (операция по захвату Дании и Норвегии). Успешное участие в этой кампании принесло Мильху Рыцарский крест. Затем Мильх принимал участие во Французской кампании 1940 года. После разгрома Франции он в числе трех высших военачальников люфтваффе (кроме него в эту тройку вошли Кессельринг и Шперле) был произведен в генерал-фельдмаршалы (19 июля 1940 года).
Характерной чертой деятельности Мильха в министерстве авиации являлось его постоянное стремление получить полный контроль над люфтваффе и авиационной промышленностью, сосредоточить в своих руках все нити управления ими. Когда к началу 1940-х годов ряд проектов генерала Э. Удета (один из руководителей министерства авиации) закончились провалом, Мильх воспользовался этим, чтобы расширить круг своих полномочий. Так, добившись путем интриг отстранения своего конкурента, он получил право открывать и закрывать авиационные предприятия, перемещать по своему усмотрению материальные и людские ресурсы. Вслед за тем Мильх расставил своих людей на все руководящие посты в технических службах люфтваффе и произвел реорганизацию возглавляемого до этого Удетом Технического управления министерства авиации. После смерти Удета (ноябрь 1941 года) Мильх сосредоточил в своих руках руководство всей технической частью люфтваффе, стал начальником вооружений ВВС, получил право на размещение заказов люфтваффе в промышленности. Однако, несмотря на огромные полномочия и все принимаемые меры, Мильху так и не удалось добиться запланированного роста авиационной техники. Его попытка развернуть широкое производство самолет-снарядов «Фау-1» особых результатов не дала, но привела к большому расходу цветных металлов, запасы которых в Германии были ограничены.
Участившиеся провалы в работе министерства авиации привели к обострению отношений между Мильхом и Герингом. Чувствуя, что тучи над его головой неумолимо сгущаются, Мильх решил нанести упреждающий удар, пустив в ход свое излюбленное оружие — интриги. Он поставил перед собой цель дискредитировать своего начальника Геринга в глазах Гитлера, добиться его смещения с поста министра и самому занять это место. Узнав об этом, Геринг резко изменил отношение к своему бывшему протеже и начал систематически подрывать его положение, используя для этого любую возможность. Тем временем, полагая, что ему удастся после Сталинградской катастрофы свалить Геринга, когда тот обещал Гитлеру организовать снабжение окруженной в Сталинграде группировки по воздуху и полностью провалил эту операцию, Мильх пошел ва-банк, открыто предложив фюреру сместить рейхсмаршала. Но этот демарш Мильха окончился неудачей. Гитлер, ранее благоволивший Мильху, уже начал утрачивать к нему доверие.
