Mille Dinesen (født 17. marts 1974) er en dansk skuespillerinde. Hun er døbt Marie Emilie Dinesen.
Mille Dinesen er uddannet ved Statens Teaterskole i 2004.
Hun spiller hovedrollen Nynne i filmen og tv-serien af samme navn fra henholdsvis 2005 og 2006. I 2012 spillede hun hovedrollen i Rita på TV 2. Hun har også spillet mindre roller i f.eks. DR's dramaserie Borgen.
I 2016 deltog hun i sæson 13 af Vild med dans sammen med Mads Vad, hvor de fik en andenplads.
I 2021 var hun en af de fire detektiver i tv-konkurrencen Hvem holder masken? på TV 2