Rođen je 30. listopada 1966. u Zagrebu. Njegov otac Stipe, ekonomist, bio je tajnik kabineta Mike Tripala. Majka Gina (Đurđica), rođena Matasić, bila je nastavnica engleskog i njemačkog u školi. Ima mlađeg brata Krešimira.
Očeva obitelj je porijeklom iz mjesta Glavice pored Sinja koja se u to područje doselila iz livanjskog kraja. Zoranov djed Ante bio je partizan, a otac Stipe partijski dužnosnik. Ipak, nakon 1971. iako nije bio stradalnik, nije mogao do visokih dužnosti jer je bio u dobrim odnosima s Tripalom i braćom Veselica. Iz Saveza komunista ispisao se 1986. Majčina obitelj je porijeklom iz Senja. Njegova baka, Marija Matasić, tajno je i bez znanja njegovih roditelja, Zorana odnijela na krštenje u crkvu sv. Petra i Pavla. Krsno ime mu je Marijan.
Odrastao je u Trnju. Pohađao je srednju školu „Centar za upravu i pravosuđe“. U mladosti je, prema vlastitom priznanju, bio buntovan i sklon tučnjavi. Pravni fakultet upisao je 1985. pa potom otišao na odsluženje vojnog roka. Bio je odličan student, dobio je Rektorovu nagradu, sudjelovao je na studentskom natjecanju iz međunarodnog javnog prava „Telders“ u Haagu.
U to vrijeme je prodavao i usisavače po kućama. Kaže da je prvi godišnji s budućom suprugom, koju je upoznao na proslavi Nove godine 1991. financirao upravo tim novcem. Supruga je kazala da je u tom poslu bio jednako strastven kao i u politici. Po završetku studija dobio je mjesto pripravnika na Trgovačkom sudu u Zagrebu 1993.
Na preporuku Ivana Šimonovića zapošljava se u Ministarstvu vanjskih poslova. Slijedeće godine proveo je mjesec i pol dana u Nagornom Karabahu, armneskoj enklavi u Azerbajdžanu. 1996. je postao savjetnik u hrvatskoj misiji u NATO-u i EU-u u Bruxellesu. Tuđmanu ga je preporučio Zlako Canjuga koji je bio u dobrim odnosima s Milanovićevim ocem koji je 1990. pristupio HDZ-u ali se kasnije ispisao.
U Bruxelles je otišao sa suprugom Sanjom Musić, liječnicom iz obitelji koja ima hercegovačke korijene. Tamo je završio poslijediplomski studij europskog i komparativnog prava a njegova supruga magistrirala je na frankofonom sveučilištu Universite Libre de Bruxelles. Kada su se krajem 1999. vratili u Zagreb, otišao se upisati u članstvo SDP-a.
Nakon pobjede SDP-a na izborima zadužen je za komunikaciju s NATO-om. 2002. postaje pomoćnik ministra vanjskih poslova Tonina Picule. Nakon poraza SDP-a na izborima 2003. napušta Mnistarstvo vanjskih poslova. Prihvaća Račanovu ponudu da se angažira u radu stranke. Do 2006. je obavljao razne dužnosti a onda ga je Račan imenovao za koordinatora medijskih aktivnosti u proširenom uredu Odnosa s javnošću SDP-a. No, ubrzo je maknut s tog položaja.
Nakon bolesti i Račanove ostavke, Milanović se kandidirao za predsjednika SDP-a. Imao je potporu Račanova sina Ivana i glavnog tajnika stranke Igora Dragovana. Pobijedio je protukandidatkinju Željku Antunović i postao drugi predsjednik SDP-a. Međutim, izgubio je parlamentarne izbore 2007. Slijedeće godine na unutarstranačkim izborima pobjeđuje Davorka Vidovića i Dragana Kovačevića i ostaje predsjednik SDP-a. Na parlamentarnim izborima 2011. pobjeđuje Kukuriku koalicija predvođena SDP-om. Postaje predsjednik hrvatske Vlade.
Kao premijer u zategnutim je odnosima s predstavnicima Katoličke crkve, branio je Gotovinu i prije oslobađajuće presude, za nepravomoćnu haašku presudu šestorici Hrvata iz BiH, koja predviđa drastične kazne, rekao je da ne odgovara stvarnosti. Prestao je razgovarati s tadašnjim koalicijskim partnerom Ivanom Jakovčićem.
„Posla je puno, ali radim stvari u koje duboko vjerujem, za koje sam uvjeren i znam da će u razumnom roku, ne podcjenjujući ljudsku nestrpljivost i iscrpljenost ovom krizom donijeti rezultate, mijenjati se nećemo, naš smjer ostaje isti, red i rad“, poručio je u svibnju 2013.
Stekao je puno protivnika i u samom SDP-u. Proglašen je glavnim krivcem zato što je ta stranka izgubila izbore za Europski parlament. Njegovo kadroviranje u Zagrebu dovelo je do najtežeg poraza SDP-a u cijelom desetljeću. Sukobio se s Europskom komisijom oko europskog uhidbenog naloga. Na kraju je ipak popustio.
SDP nakon parlamentarnih izbora nije uspio formirati Vladu, a Milanović je na unutarstranačkim izborima u travnju 2016. pobijedio Zlatka Komadinu i ostao predsjednik stranke.
U braku sa suprugom Sanjom Musić ima dva sina, Jakova i Marka. Živi u prostranom stanu u Donjeg gradu kojeg je kupio kreditom banke u švicarskim francima od Hrvoja Vojkovića, nakon što se potonji razveo od supruge. Nakon dvije godine uspio je prodati svoj stan na Bijeniku, koji je kupio uz pomoć dijela otpremnine koju je njegov otac dobio odlazeći sredinom devedesetih iz Privredne banke Zagreb.
Hobi mu je trčanje i vožnja biciklom po sljemenskim stazama.
Jedna kontradiktornost u članku koji malo previše hvali Zokija: Navodno je bio odličan student, a po završetku studija dobio je mjesto pripravnika na Trgovačkom sudu u Zagrebu 1993. Znači da je studirao najmanje 7 godina na fakultetu koji traje 4 godine, što baš i nije odlika odličnog studenta.