Юрий Милютин родился в Москве в семье служащего. В 1918 году окончил Московское реальное училище. В 1917—1919 годах получил также начальное музыкальное образование на музыкальных курсах В. К. Коссовского. Был драматическим актёром в Камерном театре (1920), Московском театре имени Софронова (1921), а также в Московском Опытно-героическом театре (1922), к спектаклям которого («Копилка» Э. Лабиша и Н. Р. Эрдмана, «Женитьба» Н. В. Гоголя) 19-летний Ю. С. Милютин сочинил музыку.

В 1921 году окончил студию Московского Камерного театра. В 1924—1925 годах принят композитором и пианистом в эстрадный коллектив «Синяя блуза». Писал танцевальную музыку и песни. В 1924 году состоялся дебют Милютина в качестве автора оперетты, когда на сцене Московского театра «Эрмитаж» была поставлена «Балерина императорских театров».

Широкую известность Милютину принесли патриотические песни 30-х годов и периода Великой Отечественной войны.

Песни Юрия Сергеевича отличаются эмоциональной непосредственностью, мелодической ясностью, задушевным лиризмом. Эти черты характерны и для лучших его песен послевоенного периода — «Сирень-черёмуха» (1948), «Ленинские горы», «Морская гвардия», «Провожают гармониста», «Среди полей России» (все — 1949), «Синеглазая»...

С 1945 года основное внимание уделял жанру оперетты. Сценическим произведениям Милютина, по оценкам критики, свойственны стремительность развития действия, чёткость музыкальных характеристик.

В ГАЦТК сочинения Юрия Милютина зритель может услышать в спектакле "Кот в сапогах" и  по сей день.