Milne stał się znany dzięki przeprowadzeniu z sir R. H. Fowlerem pionierskich badań ciśnień na różnych poziomach gwiezdnych atmosfer. Wykazał też, że Słońce może wyrzucać atomy z prędkością do 1600 km/s. W 1929 zajął się problematyką powstawania gwiazd i procesami zachodzącymi w ich wnętrzu. Wyniki tych badań pozwoliły wyjaśnić powstawanie białych karłów.
W późniejszym czasie zwrócił swoje zainteresowania w stronę kosmologii. Był twórcą alternatywnej teorii względności kinematycznej (nie zyskała ona uznania, ale spowodowała zintensyfikowanie badań w tej dziedzinie) oraz modelu kosmologicznego, zwanego modelem Milne’a.
Wyróżnienia i nagrody Złoty Medal Królewskiego Towarzystwa Astronomicznego (1935) Royal Medal (przyznawany przez Royal Society) (1941) Bruce Medal (1945)
Jego imieniem nazwano krater Milne na Księżycu.
Wybrane publikacje The White Dwarf Stars, Oxford: Clarendon Press, 1932. Relativity, gravitation and world-structure, Oxford: Clarendon Press, 1935. The Inverse Square Law of Gravitation, London: Harrison and Son, 1936. The Fundamental Concepts of Natural Philosophy, Edinburgh: Oliver & Boyd, 1943. Kinematic relativity;