Axel Milberg, geboren am 1. August 1956 in Kiel als Sohn einer Ärztin und eines Rechtsanwalts, absolvierte ab Ende der 1970er Jahre eine Schauspielausbildung an der Otto-Falckenberg-Schule in München, wo er von 1981 bis 1998 Ensemblemitglied bei den Kammerspielen war. Er spielte unter anderem den Don Juan und Nathan den Weisen unter Regisseuren wie Dieter Dorn, Peter Zadek und Alexander Lang. Sein Kinodebüt hatte er bereits 1981 in "Neonstadt", er blieb während der 1980er Jahre jedoch fast ausschließlich fürs Theater tätig. Erst ab Anfang der 1990er folgten zahlreiche, meist kleinere Kino- und Fernsehrollen, unter anderem in Serien wie "Derrick" und "Wolffs Revier".

Seinen Durchbruch als Kinodarsteller hatte Milberg erst 1995 mit Hans-Christian Schmids "Nach fünf im Urwald" als spießig gewordener Vater und Jazzfan, der seine eigene Jugend wiederentdeckt, als seine Tochter (Franka Potente) von zuhause fortläuft. In Sherry Hormans "Irren ist männlich" (1996) spielte er einen Neurotiker, in Nico Hofmanns TV-Neuverfilmung von "Es geschah am hellichten Tag" (1996) übernahm er den Part des psychopathischen Mörders Schrott. Gewalttätige und/oder neurotische Charaktere verkörperte er immer wieder, beispielsweise auch in Roland Suso Richters Gefängnisdrama "14 Tage lebenslänglich" (1997). Als Opportunist überzeugte er in "Der Campus" (1998). Milbergs zwischen Unauffälligkeit und Undurchschaubarkeit oszillierende Erscheinung wirkt ebenso überzeugend in abgründigen wie in gutmütigen oder ganz normal verschrobenen Parts.

Wichtige Fernsehrollen hatte Milberg in "Seitensprung in den Tod" (1997), der Uwe-Johnson-Verfilmung "Jahrestage" (2000), als Veit Harlan in Horst Königsteins "Jud Süß – Ein Film als Verbrechen?" (2001) und als Generaloberst Friedrich Fromm in Jo Baiers "Stauffenberg" (2004). 2001 spielte Axel Milberg erstmals den Kommissar Klaus Borowski in "Stahlnetz – PSI", die gleiche Figur verkörpert er seit 2003 mit großem Erfolg in den Kieler "Tatort"-Folgen. 2007 war er auch in der Hauptrolle als Dorfarzt in der Serie "Dr. Martin" erfolgreich, die er noch bis 2009 verkörperte und für die er beim Bayerischen Fernsehpreis 2008 als Bester Schauspieler ausgezeichnet wurde.

Ein weiteres Beispiel seiner langen Reihe von Rollen getriebener Charaktere war der ständig unter Zeitnot leidende Manager in Detlef Bothes "Neben der Spur" (2007). Sonst sah man Milberg in einigen Fernsehproduktionen: So spielte er beispielsweise in Florian Gärtners Verfilmung von "Das Feuerschiff" (2008) den Bandenführer Caspary; in dem Drama "Stille Post" (2008) verkörperte er einen Mann, dessen Ehe durch einen Schüler auf eine harte Probe gestellt wird; in dem Märchenfilm "Das tapfere Schneiderlein" (2008) gab er den guten König Ernst.

2009 hatte Milberg dann wieder zwei Kinoauftritte. In Tom Tykwers Thriller "The International" spielte er einen Berliner Kriminalkommissar und in dem Kinderfilm "Die drei ??? - Das verfluchte Schloss" den Vater des jungen Hobbydetektivs Justus. In Philipp Stölzls "Goethe!" (2010) hatte er eine kleine Rolle als Verleger. Bedeutender waren seine Fernsehrollen in dieser Zeit. So verkörperte er in dem preisgekrönten Dokudrama "Aghet – Ein Völkermord" (2010, TV) den deutschen Türkei-Korrespondenten Harry Stürmer und in dem Dokudrama "Eichmanns Ende" (2010, TV) den legendären Staatsanwalt Fritz Bauer.

Unter der Regie von Matti Geschonneck spielte er in dem kammerspielartigen Drama "Liebesjahre" (2011, TV) den neuen Freund einer geschiedenen Frau (Iris Berben), die mit ihrem Ex-Mann (Peter Simonischek) beim Verkauf des gemeinsamen Hauses über ihre gescheiterte gemeinsame Beziehung und dessen neue Freundin (Nina Kunzendorf) aneinander gerät. Für diese Rolle wurde Milberg, gemeinsam mit Geschonneck, dem Drehbuchautor und dem Rest des Hauptensembles, mit dem Grimme-Preis 2012 ausgezeichnet. Im gleichen Jahr erhielt er für die "Tatort"-Folge "Borowski und die Frau am Fenster" eine Nominierung für den Bayerischen Fernsehpreis.

Neben zahlreichen weiteren Fernsehrollen sah man Milberg 2012 und 2013 verstärkt auf der Kinoleinwand: In Margarethe von Trottas "Hannah Arendt" (2012) gab er Arendts Ehemann, den deutsch-amerikanischen Philosophen Heinrich Blücher; in "Ludwig II." (2012) gehörte er als König Maximilian II. zum Ensemble; in der Jugendbuchverfilmung "Rubinrot" (2013) war er der gutmütige und freigeistige Lucas Montrose und in der Bestselleradaption "Feuchtgebiete" (2013) der Vater der sexuell freizügigen Hauptfigur.

Danach konzentrierte sich Milberg wieder ganz auf seine umfangreiche TV-Arbeit. Neben seinen Auftritten als "Tatort"-Kommissar Borowski sah man ihn unter anderem als BND-Mitarbeiter in dem preisgekrönten Dokudrama "Eine mörderische Entscheidung" (2013, TV), über den verheerenden Bundeswehr-Luftangriff bei Kundus im Jahr 2009. Zu seinen weiteren wichtigen Fernsehfilmen gehörten das Historiendrama "Die Hebamme" (2014), in dem er einen Medizinprofessor und Hebammen-Ausbilder spielte, und die Komödie "Der Liebling des Himmels" (2015, Regie: Dani Levy), in der er an der Seite von Mario Adorf einen berühmten Psychiater in der Krise gab. Viel Aufmerksamkeit und hervorragende Kritiken bekam das brisante Drama "Meister des Todes" (2015, TV), über die Verstrickungen von Waffenindustrie und Politik. Darin spielte Milberg den Geschäftsführer einer Waffenfirma. Viel gelobt wurde auch das Dokudrama "Letzte Ausfahrt Gera – Acht Stunden mit Beate Zschäpe" (2016, TV), mit Milberg als Richter Manfred Götzl. 2016 übernahm Milberg zudem eine durchgehende Rolle als skrupelloser Schurke in der deutsch-südafrikanischen Mini-Serie "Cape Town".

Neben seiner Tätigkeit für Bühne und Film ist Milberg auch als Sprecher der deutschen Henning-Mankell-Hörbücher bekannt.