Stora ateljén var Carl Milles arbetsplats under 1910- och 1920-talen. Där arbetade han på modellerna till flera av sina monumentala verk, bland annat Orfeus och Europa och tjuren.
Under 1950-talet användes ateljén för att härbärgera Milles stora antiksamling. Numera visas här ett urval av Milles gipsmodeller tillsammans med arbetsredskap och foton av skulptören i arbete.
Carl Milles ateljé fick sina mått bestämda av en beställning Carl Milles fick 1902 på ett monument av Sten Sture för Uppsala. Rummet hade från början öppna takstolar och överljus och den branta trappan ledde upp till ett galleri som gjorde det möjligt att se skulpturerna ovanifrån. 1919 byggdes ateljén om och fick ett innertak och en rad pelare i trä som delade av rummet. Avsikten med ombyggnaden var att rummet skulle få en mer klassisk stil och bli lättare att värma upp. I ateljén arbetade Carl Milles med stora beställningar under 1910- och 20-talet.
I ateljén visas gipsmodeller till Carl Milles skulpturer. Gipsmodellerna är utgångspunkten för de gjutformar i vilka bronsgjutningarna görs. Förutom de gipser som visas i ateljén äger Millesgården i stort sätt alla övriga gipser till Millesskulpturer som finns och de förvaras i ett särskilt gipsmagasin.