Родился в Ленинграде 4 июля 1934 г., где оставался во время Блокады до апреля 1942 г. В 1956 г. окончил исторический факультет Ленинградского государственного педагогического института, в 1968 г. аспирантуру по кафедре истории русского искусства и в 1977 г. защитил диссертацию на тему «Панорамные изображения северных архитектурных ансамблей в древнерусской живописи второй половины XVI – первой половины XVIII вв.».
С 1968 г. – старший научный сотрудник Ленинградских областных научно-реставрационных мастерских, а затем с момента образования Ленинградского НИИ «Спецпроектреставрации» в 1977 г. –заместитель директора по научной работе. С 2004 г. – работает по совместительству в НИИТИАГ, куда в 2014 г. перешел на основную работу. В последние годы М. Мильчик часто выступает как эксперт по вопросам охраны памятников и реставрации.
С 1997 по 2007 гг. Мильчик читал курсы лекций по древнерусской архитектуре и искусству в Санкт-Петербургском Государственном Архитектурно-строительном университете, а также по истории русской архитектуры и проблемам реставрации в университетах Кракова, Парижа, Страсбура, Хельсинки и Венеции. В течение 16 лет представляет Россию в международном обществе Castella Maris Baltici (Замки Балтики).
При его непосредственном участии были разработаны и частично осуществлены проекты реставрации крепостей в Старой Ладоге, Ивангороде, Копорье, и Приозерске (быв. Корела - Кексгольм), а также разработаны проекты зон охраны ряда исторических городов Ленинградской, Новгородской и Архангельской областей.