Carlos R. S. Milani defendeu sua tese de doutorado em Estudos de Desenvolvimento na École de Hautes Etudes en Sciences Sociales (EHESS – França) em 1997. Foi funcionário público internacional na sede da Organização das Nações Unidas para a Educação, a Ciência e a Cultura (UNESCO) entre 1994 e 2002 e professor assistente em Sciences Po Paris entre 1997 e 2002. Foi pesquisador visitante em Sciences Po Paris em 2009 e e na University of California, Berkeley (UC-Berkeley), em 2017. Atualmente é Professor Titular do IESP-UERJ, pesquisador do CNPq (Produtividade 1-B), Senior Fellow do Centro Brasileiro de Relações Internacionais(CEBRI) e membro do Climate Social Science Network (CSSN – Brown University, EUA). 

Sua agenda de pesquisa e temas de expertise incluem política externa comparada e potências regionais, políticas de cooperação para o desenvolvimento, relações sul-sul, a política internacional no campo dos direitos humanos e das mudanças climáticas. Em 2018 recebeu o prêmio de melhor artigo do ano da Associação Brasileira de Ciência Política (ABCP), por Brazil’s foreign policy and the ‘graduation dilemma’, coescrito com Leticia Pinheiro e Maria Regina Soares de Lima, e publicado pela revista International Affairs.