Милютин Юрий Сергеевич родился в Москве в семье служащего. В 1918 году окончил Московское ральное 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", "Женитьба" ) 19-летний Ю. С. Милютин сочинил музыку.
В 1921 году окончил студию Московского Камерного театра. В 1924-1925 годах принят композитором и пианистом в эстрадеый коллектив "Синяя блуза". Писал танцевальную музыку и песни, в частности, "Шумит ночной Марсель" (1924) на стихи Н.Эрдмана, "Танго" (1924) и "На старой барже" (1926) на стихи О. Осенина для театров миниатюр "Кривой Джимми", "Павлиний хвост", кабаре "Нерыдай". В 1924 году состоялся дебют Милютина в качестве автора оперетты, когда на сцене Московского театра "Эрмитаж" была поставлена "Балерина императорских театров".
В 1929—1932 годах работалтапёром в моcковских кинотеатрах, заведовал музыкальной частью нескольких театров: студии Р.Симонова, театра-студии под руководством Ю.Завадского и Театра сатиры, писал музыку к их постановкам.
Для завершения музыкального образования в 1930 году поступил в Московский областной музыкальный техникум по отделению композиции, закончил его в 1934 году.
Широкую известность Милютину принесли патриотические песни 30-х годов и периода Великой Отечественной войны: "Гибель Чапаева" (1936, 1-я премия на конкурсе ЦК ВЛКСМ), "На Дальнем Востоке", "Нас не трогай" (обе — 1938), "Чайка" ("1939"), "Возле города Кронштадта", "Всё равно", "Голубой конверт" (все — 1942), "Под Белгородом" (1945) и др. 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" (1955) и др.
В годы Великой Отечественной войны Юрий Сергеевич выступал с концертными бригадами в прифронтовых частях, в госпиталях, писал музыку для военных ансамблей и хоров.
С 1945 года основное внимание уделял жанру оперетты. Сценическим произведениям Милютина, по оценкам критики, свойственны стремительность развития действия, чёткость музыкальных характеристик. Автор часто использует в опереттах элементы фольклора (русского,нудульского, латиноамериканского). Среди наиболее известных работ в этом жанре — "Девичьий переполох", "Трембита", "Поцелуй Чаниты", "Цирк зажигает огни". Оперетты Милютина ставились и в театрах стран социалистического блока (Лейпциг, будапешт, Бухарест, Прага, Брно, София, и др.).
Лауреат Сталинской премии второй степени за песни "Ленинские горы", "Сирень-черёмуха" и "Морская гвардия".
Скончался 9 июня 1968 года.
Жил в Иаганском районе в знаменитмо Жилом доме на Котельнической набережной в Москве.