30 мая 2001 был назначен председателем правления ОАО «Газпром». 13 июня 2001 заявил о постепенном усилении роли государства в управлении компанией.
С 27 июня 2001 по июль 2002 года был председателем совета директоров ОАО «Востокгазпром».
В июле 2001 года в интервью The Wall Street Journal А.Миллер заявил, что «Газпром» выступает за увеличение предельной доли иностранцев в своем капитале с 11 % до 20 % при сохранении значительного пакета акций в руках государства. (Интерфакс, 09.07.2001)
С сентября 2001 года – председатель совета директоров ЗАО КБ «Газпромбанк «.
20 декабря 2001 вошел в состав бюро Российского союза промышленников и предпринимателей (РСПП).
6 мая 2002 года правительство назначило А.Миллера представителем государства как акционера для участия в годовом собрании акционеров Газпрома.
В 2002–2004 гг. – покровитель странной фирмы Eural Trans Gas. Фирма с уставным капиталом 12 тыс. долл. зарегистрирована 5 декабря 2002 в венгерском поселке Чабды, учредители – трое румын (Луиза Лукач, Михай Саву, Анка Негреану) и израильтянин (Зеев Гордон). Позже ее сменила компания «РосУкрЭнерго».
На 2003 г заложил в статью бюджета «Газпрома» «Административные и рекламные расходы» 35 млрд. рублей (около 1 млрд 100 млн долларов). («Газета», 11 февраля 2003).
С июня 2003 года – председатель совета директоров ОАО «СОГАЗ «.
В марте 2005 года Миллер предложил с 2006 г. отказаться от регулирования цен на газ для промышленности (около 70 % всего потребления газа в России). Фиксированные цены монополия готова сохранить для ЖКХ, бюджетников и населения. («Ведомости», 23.03.2005)
31 мая 2005 был вынесен приговор Михаилу Ходорковскому и Платону Лебедеву; журнал «КоммерсантЪ Власть» обратился к нескольким политическим деятелям и бизнесменам с вопросом; «Вы согласны с приговором?» Миллер на вопрос отвечать отказался.(Ъ Власть, 6 июня 2005).
В конце октября 2005 года группа миноритариев нефтяной компании «ЮКОС» (в основном граждане США) подали в вашингтонский окружной суд коллективный иск против Российской Федерации и ряда российских энергетических компаний, а также министров и руководителей компаний, включая А.Миллера. Истцы обвинили их в сговоре с целью «фактической национализации» «ЮКОСа», в результате чего миноритарии лишились ожидаемой прибыли.
23 декабря 2005 президент ОАО «Сибнефть» Александр Рязанов заявил, что будет рекомендовать Миллера на пост главы совета директоров «Сибнефти» (Интерфакс, 23 декабря 2005).
23 декабря 2005 был избран членом совета директоров ОАО «Сибнефть».
С декабря 2005 года – член Правительственной комиссии по вопросам топливно-энергетического комплекса и воспроизводства минерально-сырьевой базы.