Милена Тодорова започва кариерата си на биатлонист през 2007 г.

Участва на зимните олимпийски игри в Пьонгчанг през 2018 г. и Пекин 2022.

На 9 януари 2025 година финишира трета на спринта в Оберхоф, Германия, който е част от световната купа по биатлон. Така след 20-годишна пауза отново българска състезателка се качва на подиума в старт от световната купа.[3] В преследването се класира на седмо място.[4]

На 23 февруари 2025, по време на световното първенство в Ленцерхайде финишира пета в масовия старт с 18 от 20 точни стрелби, на 24,3 сек. от победителката Елвира Йоберг и на 7,8 сек. от третото място (Осеан Мишелон). Това е най-доброто класиране за България на световни първенства от над 20 г.[5]

На 15 март 2025 г. завършва втора в масовия старт от Световната купа по биатлон в Поклюка, Словения, като това е най-добрият български резултат при жените от 21 години насам.[4]

Омъжена е за биатлониста Владимир Илиев.