Однако скандал с рекламой стал толчком к новой жизни Ли Миллер. За время сотрудничества с Конде Настом она поняла, что ей гораздо интереснее самой стоять за фотоаппаратом, нежели выступать в роли модели. В 1929 году она, захватив все возможные рекомендательные письма, переезжает в Париж.
Ли нацелилась на Ман Рэя — художника-дадаиста и выдающегося фотографа, чьим творчеством давно восхищалась. Поначалу Ман Рэй не хотел ее брать к себе в ученицы, помощницы и любовницы — между ними была разница в 17 лет. Но упорство Миллер привело к тому, что они с Ман Рэем стали неразлучны на протяжении трех лет. Говорят что ненароком именно Миллер изобрела соляризацию (фирменный стиль Ман Рэя), испугавшись мыши в проявочной и от испуга на некоторое время усилив свет.
Как бы то ни было, Ли стала одной из выдающихся фотографинь, нередко подменяла Ман Рэя, снимала от его имени некоторые проекты, не ставя при этом своё имя, чтобы он не отвлекался от более интересных для него съемок. В то же время она знакомится с Пабло Пикассо, с которым сохранила дружеские отношения на протяжении всей жизни. За 36 лет их крепкой дружбы Миллер сделала более 1000 фотографий с его участием.
Вскоре отношения с Ман Рэем дали трещину. Ли надоели вспышки ревности Ман Рэя по отношению к другим художникам-монпарнасцам, в то время как ей было скучно от его собственнических настроений.
В 1932 году она сбежала от него в Нью-Йорк. Там она встретила бизнесмена египетского происхождения Азиза Элуи Бея, за которого в 1934 году вышла замуж.
Ман Рэй был безутешен, многие отмечали, что он был на грани самоубийства. Наилучшим отображением его внутренних переживаний стало арт произведение «Объект разрушения» - метроном с изображением глаза Миллер.
Но Ли было все равно. Она уже была с другим мужчиной, который увез ее в Египет, где она создала огромное количество снимков, в том числе сюрреалистичный «Портрет пространства».